автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Повышение технологических свойств дуги с неплавящимся электродом в инертных газах

На правах рукописи

САВИНОВ Александр Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДУГИ С НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ

Специальность 05.02.10 Сварка, родственные процессы и технологии

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005537417

Волгоград-2013

005537417

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

Научный консультант чл.-корр. РАН,

заслуженный деятель науки РФ, Лысак Владимир Ильич.

Официальные оппоненты: Атрощенко Валерий Владимирович,

доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет, кафедра «Оборудование и технология сварочного производства», заведующий.

Сидоров Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, Тольяттинский государственный университет, кафедра «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы», заведующий.

Туричин Глеб Андреевич, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, факультет технологии исследования материалов, декан.

Ведущее предприятие Федеральный научно-производственный

центр ОАО «ЦКБ «Титан», г. Волгоград

Защита диссертации состоится 13 декабря 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.02, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, д. 28, ауд. 209. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «11» октября 2013 г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета —^ Кузьмин Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертационного исследования

Сварка неплавящимся электродом является одним из ведущих технологических процессов при изготовлении конструкций ответственного назначения из цветных металлов и сплавов, высоколегированных и высокопрочных сталей.

Она позволяет получать соединения высокого качества из сталей различных марок, в том числе высоколегированных, алюминия, титана, меди, никеля, и других цветных металлов и сплавов. Данный способ сварки позволяет надежно соединять как небольшие детали, так и крупногабаритные металлоконструкции большой толщины, не требует применения электродных покрытий и флюсов, а также последующей зачистки швов от шлака. Кроме того, существует возможность соединять трудносвариваемые металлы, производить наплавку материалов с особыми свойствами и восстанавливать изношенные детали.

Исследованиям в области дугового разряда в инертных газах, а также его взаимодействию со свариваемым материалом посвящены работы российских и зарубежных ученых А. И. Акулова, Э. А. Гладкова, В. С. Гвоздецкого, Н. Г. Дюр-герова, А. А. Ерохина, В. Н. Замкова, А. Я. Ищенко, Ю. В. Казакова, И. М. Ковалева, В. А. Косовича, И. Е. Лапина, В. И. Лысака, Л. М. Лобанова, В. А. Ле-нивкина, В. М. Неровного, С. Г. Паршина, А. В. Петрова, И. В. Пентегова, А. Г. Покляцкого, В. П. Прилуцкого, Д. М. Рабкина, А. М. Рыбачука, А. Д. Раз-мышляева, В. Л. Руссо, В. П. Сидорова, В. И. Столбова, В. Н. Селяненкова, И. В. Суздалева, Г. Г. Чернышова, В. М. Ямпольского, Т. W. Eagar, W. F. Savage, V. P. Kuianpaa, A. Kumar, T. DebRoy, J. F. Key, M. Tanaka, R. A. ChihosM и мн.

др.

Одной из причин, сдерживающих применение аргонодуговой сварки металлов большой толщины, является ее низкая производительность, ограниченная сравнительно невысокой тепловой эффективностью дуги и нарушением формирования швов (возникновением пор, подрезов, «перетяжек», наплывов и т.п.) при сварке на высоких значениях тока и скорости сварки. Современные темпы производства обуславливают высокие требования к производительности процесса сварки и качества получаемых соединений, для чего необходимо глубокое и детальное изучение вопросов, касающихся раскрытия механизма и кинетики формирования швов при сварке на повышенных значениях скорости и

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ВолгГТУ Лапину И. Е. за участие в формировании направления и методологической подготовке исследований, а также за оказанную помощь при их анализе

погонной энергии, установления взаимосвязей состава защитного газа, режима горения дуги и конструкции неплавящихся электродов с тепловым, силовым и электромагнитным воздействием разряда на металл сварочной ванны, проплавляющей способностью дуги и качеством формирования сварного шва.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением его в рамках гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых - кандидатов наук и их научных руководителей (2003 -2004 г.г.), ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ (2005 г.).

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является повышение производительности и качества сварки неплавящимся электродом на основе исследования взаимосвязей характеристик электромагнитного поля сварочной дуги с неплавящимся электродом и ее термосилового воздействия на свариваемый металл.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Рассмотрены и обобщены существующие теоретические представления о механизмах нарушения формирования швов при сварке неплавящимся электродом в инертных газах.

2. Экспериментально и методами математического моделирования определено влияние состава защитного газа и конструкции неплавящегося электрода на характер распределения давления дуги на сварочную ванну и топографию напряженности магнитного поля сварочного тока в зоне сварки.

3. Выявлены основные взаимосвязи энергетических и технологических характеристик дуги, а также ее физических параметров с составом защитного газа и конструкциями неплавящихся электродов.

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

5. Разработаны новые конструкции неплавящихся электродов, повышающие производительность сварки и качество формирования швов. Внедрены в промышленность новые технологические процессы сварки неплавящимся электродом в инертных газах.

Научная новизна работы заключается в выявлении и обобщении закономерностей взаимодействия тепловых, магнитных и плазменных потоков при сварке неплавящимся электродом в инертных газах, позволяющих на основе управления катодными процессами, силовым воздействием дугового разряда на

свариваемый металл и пространственной устойчивостью дуги значительно расширить технологические возможности процесса, что имеет существенное значение для теории и практики сварочного производства.

Предложена- й: верйфицй£>бБана физическая модель сварочной дуги в инертных газах, учитывающая геометрию рабочего участка неплавящегося электрода, зависимость теплофизических свойств материалов от температуры, взаимодействие магнитного поля, создаваемым электродом, с собственным магнитным полем разряда, а также взаимосвязь этих параметров с силовым воздействием дуги на сварочную ванну.

Установлено, что конфигурация магнитных полей вокруг электрода оказывает значительное влияние на формирование столба дуги и обуславливает характер распределения давления.и теплового потока дуги на сварочную ванну. Показано, что максимальное значение давления дуги зависит от напряженности магнитного поля вблизи катодного пятна и его распределения в пространстве, характеризующегося крутизной нарастания кривой напряженности в плоскости сечения дуги у торца рабочего участка электрода.

Показано, что путем изменения геометрических параметров рабочего участка неплавящегося электрода можно управлять конфигурацией магнитных полей и плотностью плазменных потоков, вплоть до создания ассиметричных, благодаря чему источник тепла приобретает универсальные характеристики и может быть использован для сварки, наплавки и термообработки.

Установлено, что формирование несимметричного магнитного поля в при-катодной зоне обуславливает возникновение радиально направленных сил Лоренца, изменяющих распределение удельного теплового потока дуги с кругового на эллиптическое. Формирование в прикатодной зоне области с пониженной напряженностью магнитного поля приводит к отклонению оси дугового разряда в ее направлении, что позволяет компенсировать естественное отставание дуги при сварке на высоких скоростях и обеспечивает переход к режиму горения дуги с диффузным катодным пятном при пониженных плотностях тока.

Установлено, что давление дуги с сосредоточенным катодным пятном в аргоне характеризуется высокими показателями максимального значения и градиента в центре сварочной ванны. Распределение давления определяется совместным влиянием характера катодных процессов и состава защитного газа. Переход от дуги с сосредоточенным катодным пятном к разряду с диффузным пятном, а также увеличение концентрации гелия в смеси газов снижают силовое воздействие дуги на сварочную ванну в 1,6 ... 3,2 раза, стабилизируя качество формирования шва.

Практическая значимость. На основе исследований энергетических и технологических характеристик дуги в инертных газах и их смесях, ее термосилового воздействия на сварочную ванну, разработаны пути и средства улучшения формирования сварных швов, увеличения проплавляющей способности дуги и производительности сварки неплавящимся электродом.

Разработаны на уровне изобретений и полезных моделей новые конструкции неплавящихся электродов и способы сварки, обеспечивающие горение дуги с диффузным катодным пятном на токах свыше 10А, высокую стабильность разряда и, как следствие, качественное формирование швов в широком диапазоне сварочных токов и скоростей сварки.

Выработаны методические рекомендации по сварке неплавящимся электродом в аргоно-гелиевых смесях газов на высоких значениях погонной энергии и скорости.

Проведенные исследования послужили основой для разработки новых технологий и создания высокоэффективных материалов для сварки неплавящимся электродом в инертных газах. Новые технологические процессы внедрены на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь», ОАО «Астраханьгазпром», Волжском научно-техническом комплексе, ЗАО ПКК «Славянка», Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги, МП ПО «Волгоградэлектрот-ранс». Экономический эффект от внедрения новых разработок составил 2,1 млн. рублей. Доля автора во внедренных разработках 60%.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на 20 всероссийских и международных конференциях (1996, 2007 - Волгоград; 1997 - Воронеж; 1997 - Пенза; 1998, 2003, 2006, 2008- Москва, 2000 - Пенза; 2002 -Пермь; 2002,2003,2006 - Камышин; 2006 - Ставрополь, 2006, 2011 - Тольятти, 2009 - Липецк, 2009, 2012 - Брянск, 2013 - Орск), а также на научных семинарах в ВолгГТУ и ДГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 работ, в том числе монография, 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций, 8 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 238 листах машинописного текста, содержит 135 рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 283 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Проблемы и перспективы дуговой сварки неплавящимся

электродом

Существенным недостатком аргонодуговой сварки неплавящимся электродом является ее низкая производительность, пути повышения которой, как показал анализ литературных данных, можно разделить на три группы.

К первой из них относятся способы, основанные на увеличении концентрации энергии в пятне нагрева посредством воздействия на физические параметры дуги.

Тепловое контрагирование плазмы сварочных дуг обусловлено процессами переноса тепла (О. А. Синкевич, И. 77. Стаханов) и вызвано уменьшением температуры в периферийной области дуги и увеличением плотности газа (при постоянном давлении) (77. В. Порицкий, В. 77. Прилуцкий, В, Н. Замков, Б. Н. Бадьянов, В. А. Ленивкин, Н. Г. Дюргеров, В. А. Давыдов, В. А. Иванов, G. N. Haddad, J. D. Farmer). При этом степень сжатия разряда определяется температурной неоднородностью по его сечению и наиболее значитеиьно при сварке на малых токах, когда газовая теплопроводность доминирует в процессе отвода тепла. При повышении сварочного тока 1д область, занимаемая плазмой, постепенно растет, и максимально сжатым на больших 7,) является разряд, горящий в гелии. Плотность тока в анодном пятне /а„ при использовании гелия в 1,8 раза выше, чем при аргонодуг овой сварке (В.' Л. Фан, О. Н. Иванова, Д. М. Рабкин, В. С. Мечев, В. Н. Замков, В. П. Прилуцкий, J. F. Key, М. Tanaka). Введение активирующего флюса в зону проплавления при аргонодуговой сварке приводит к повышению jm примерно в 3 раза на фоне существенного снижения скоростного напора плазменной струи (О. Е. Островский, В. Н. Крюковский, Б. Б. Бук и ДР-)-

Контрагирование дуги с неплавящимся катодом при сварке в смесях инертных газов в значительной стеиени определяется соотношением компонентов смеси. При этом дуговой разряд в смеси аргона и гелия может быть сильнее контрагирован, чем в чистом Не. Это достигается при достаточно больших токах и концентрациях гелия свыше 50 % (77. В. Порицкий, В. П. Прилуцкий, В. Н. Замков).

Явление контрагирования плазмы разряда также наблюдается при переходе дуги с чистой на окисленную поверхность свариваемого металла. Однако это вызывает самопроизвольное изменение напряжения на дуговом промежутке, сварочного тока и геометрических размеров и веса ванны расплавленного ме-

талла, что негативно сказывается на формировании шва и качестве сварного соединения (А. В. Букаров, Ю. С. Ищенко, А. А. Ерохин).

Добавление в аргон или гелий галоидосодержащего газа, а также нанесение на свариваемое изделие активирующего флюса приводит к значительному сжатию дуги при сварке (Я Е. Патон, К А. Ющенко, Д. В. Коваленко, Б. Н. Бадьянов, В. А. Давыдов, В. А. Иванов, Ю. В. Казаков, К. Б. Корягин, В. П. Потехин, Ю. Ф. Колупаев, В. П. Сидоров, С. Г. Паршин, В. Н. Замков, В. П. Прилуцкий, С. М. Гуревич, М. М. Савицкий, Б. Н. Кушниренко, О. И. Олей-ник, R. A. Chihoski, V. P. Kuianpaa, С. Е. Jackson, R. A. Cresswell и др.). Использование указанного приема позволяет значительно повысить эффективность процесса сварки. Однако указанные исследования проводились в области достаточно малых токов (50 ... 180А), в то время как применение различных галогенов и активирующих флюсов при сварке на токах свыше 300А малоэффективно вследствие снижения интенсивности контрагирования плазмы с увеличением 1д. Так, в работах Ю. В. Казакова, К. Б. Корягина, В. П. Потехина показано, что при токах более 275А пары флюса уносятся из дуги и перестают влиять на ее строение, а все зоны разряда по строению становятся такими же, как и без флюса.

Вопрос контрагирования разряда важен также с точки зрения характера распределения и пикового значения давления на поверхности анодного пятна дуги. Так, например, добавка 0,02 ... 0,5% BF3 или применение флюсов при ар-гонодуговой сварке увеличивает коэффициент сосредоточенности дуги в 1,5 ... 2 раза, а ртах в 3 раза (Б. Н. Бадьянов, В. А. Давыдов, В. А. Иванов, М. М. Савицкий, Б. Н. Кушниренко, О. И. Олейник). В то же время, чрезмерное сжатие разряда и увеличение пикового давления на ванну расплавленного металла может привести в появлению различных дефектов в сварном шве.

Применение галогенидов и флюсов будет также ограничиваться неизбежным снижением стойкости вольфрамовых катодов, температура которых значительно возрастает по сравнению с дугой, горящей в чистом аргоне при одинаковых параметрах режима сварки.

Способы второй группы предполагают увеличение погонной энергии или сохранение неизменной ее величины при сварке на повышенных скоростях. Однако существует предел допустимых токов, который зависит от многих факторов и не позволяет в значительной мере повысить производительность из-за резкого снижения качества формирования швов ввиду возникновения дефектов, таких как подрезы, раковины, бугры и газовые полости (Nobuyuki Jamauchi, Та-hao Taha, Manabu Oh-i., И. M. Ковалев, Е. М. Кричевский, В. Н. Львов и др.,).

Подобные дефекты приводят к снижению прочностных свойств сварных соединений, а, следовательно, и к преждевременному выходу конструкции из строя (В. В. Григоренко, О. Н. Киселев, Г. Г. Чернышев и др.). При этом чувствительность процесса сварки к образованию дефектов проплавления (непрова-ры, прожоги), вызываемых, например, случайными колебаниями параметров режима сварки и геометрии соединения, возрастает с увеличением скорости сварки (А. Д. Размышляев, М. В. Миронова).

По данным А. А. Ерохина, И. М. Ковалева, Е. М. Кричевского, В. Н. Львова, Р. F. Mendez, Т. W. Eagar и др. нарушение формирования швов вызвано высоким силовым воздействием дугового разряда на расплавленный металл сварочной ванны, создающего сильный подпор на ее оси. По всей видимости, снижение ртах является одним из путей нормализации формирования сварных швов. При этом оптимальным представляется «пологое» распределение давления дуги, позволяющее уменьшить подпор жидкого металла на оси сварочной ванны, сохранив в необходимых случаях на прежнем уровне интегральную величину Рд. Стремление к максимально возможному силовому воздействию при условии хорошего формирования шва обусловлено определяющим значением этого параметра в процессах теплопередачи между дугой и изделием.

Возможным механизмом управления распределением давления на поверхности сварочной ванны является изменение геометрии рабочего участка катода и режима горения сварочной дуги. Так, по данным И. В. Суздалева, Э. И. Явно увеличение размера притупления dnp приводит к снижению ртт и коэффициента сосредоточенности а дугового разряда, а кривые распределения давления принимают более пологую форму.

Управлять распределением давления дугового разряда можно при помощи изменения заточки рабочего участка катода, однако здесь наблюдается некоторое противоречие в результатах, полученных разными исследователями. Так, по одним данным (И. В. Суздалев, Э. И. Явно) увеличение а до 60°, a по другим - до 34° (А. А. Ерохин, В. А. Букаров, Ю. С. Ищенко), приводит к возрастанию коэффициента сосредоточенности дугового разряда и его пикового давления при дальнейшем уменьшении ртах и а.

Одним из путей снижения пикового давления дуги и ее сосредоточенности является применение стержневых катодов с большими значениями угла а и dnp. Такая форма рабочего участка позволяет максимально снизить на нем плотность тока и интенсивность катодного потока плазмы дуги в случае применения электродов традиционной конструкции. Однако эффективность такого подхода

невысока и ограничена сравнительно низким значением максимально допустимого 1д, обусловленного увеличением теплового потока от дуги в электрод.

Наиболее эффективным решением при управлении значениями ртса и коэффициента а, характеризующим сосредоточенность дуги и скорость снижения давления при удалении от ее оси, является изменение характера горения дугового разряда, т.е. переход от сосредоточенного (контрагированного) к диффузному режиму протекания катодных процессов.

Повышение пространственной устойчивости дугового разряда в целом и стабильности положения его активных пятен является перспективным способом увеличения производительности сварки, особенно на высоких скоростях.

И. М. Ковалев, Е. М. Кричевский, В. Н. Львов, В. Я. Шнеерсон, В. П. Демян-цевич, В. И. Матюхин, Б. иШа, К. КокиЪо, Т. Мехико, Т. Ме и др. главной причиной нарушения формирования шва считают именно пространственную неустойчивость дуги, которая приводит к отклонениям разряда от своей оси и появлению горизонтальной составляющей силового воздействия. Именно этим обуславливается дискретность перемещения дугового разряда по поверхности анода и масс расплавленного металла в сварочной ванне. Как следствие, сварной шов имеет грубую чешуйчатость или бугристую поверхность.

Устойчивостью и эластичностью дугового разряда можно управлять, изменяя состав газовой атмосферы (В. М. Лейбзон, В. Я. Глушко, В. В. Фролов, ТУ. Н. НеЫЪгесЫ, в. ТТ. Оу1ег, М. Тапака, £ ТсиЫго, Т. БШоК). В литературе имеются лишь отрывочные сведения о большей «жесткости» дуги в гелии, по сравнению с аргоном. При этом разрывная длина аргоновой дуги в 2 ... 2,6 раза больше аналогичного показателя для разряда в гелии. По всей видимости, эластичность дуги в Аг приводит к ее пространственной неустойчивости, в результате чего при прочих равных условиях отклонение дугового разряда примерно в 2 раза больше, чем в Не (Ж ПпШЬи^, в. Меккег).

Повышение устойчивости дуги может обеспечиваться с помощью дополнительных электродинамических сил, возникающих в дуге при пропускании через нее сильноточных импульсов и внешних сил магнитного или газодинамического происхождения, направленных противоположно возмущающим силам (А. В. Петров, И. М. Ковалев, А. ТгаМш и др.). Продольное магнитное поле приводит к сжатию столба, повышает напряжение дуги и увеличивает проплавляющую способность. В результате уменьшается диаметр активного пятна на изделии и газодинамическое давление в центре дуги, а распределение плотности тока по радиусу становится равномернее, чем при сварке без продольного магнитного поля. Однако, создание внешнего магнитного поля требует допол-

нительного громоздкого оборудования, размещаемого непосредственно на горелке. Кроме того, этот способ малоэффективен при сварке ферромагнитных материалов из-за замыкания силовых линий поля через основной металл. В связи с этим целесообразно изучить возможности собственного магнитного поля тока дуги и влияние на него конструкции рабочего участка электрода без применения внешних воздействий.

Таким образом, для разработки путей и средств повышения производительности и стабильности процесса сварки неплавящимся электродом необходим комплексный подход, учитывающий взаимосвязь состава защитного газа, режима горения дуги, конфигурации магнитного поля и конструкции неплавя-щихся электродов с термосиловым воздействием разряда на расплавленный металл сварочной ванны, проплавляющей способностью дуги и качеством формирования сварного шва.

2. Физическая модель дуги с неплавящимся электродом

С целью установления взаимосвязей конструкции рабочего участка непла-вящегося электрода, состава инертного газа и характера протекания катодных процессов с силовым и электромагнитным воздействием дугового разряда на свариваемый металл разработана физическая модель, позволяющая получить распределение магнитных полей, давления, температуры и плотности тока при различных параметрах режима сварки и формах рабочего участка электрода.

Расчет модели основан на методе конечных элементов с использованием программного продукта Согшо! тиМрЫзки 3.5. При моделировании учитывалась зависимость электрофизических свойств материалов (вольфрама, защитного газа) от температуры. Так как модель строится в трехмерной прямоугольной системе координат, форма рабочего участка электрода может быть несимметричной.

Процессы переноса тепла описываются дифференциальным уравнением энергии в общем виде для изобарного процесса переноса теплоты (1), так как дуговой разряд горит при атмосферном давлении. Перенос теплоты осуществляется по закону Фурье д = -кдгай(Т). Значение разности изобарной (Ср) и изохорной (Су) теплоемкостей мало и можно принять их равными, тогда уравнение теплопроводности примет вид:

рСр% + Ч-мгг) = <2+ч,, (1)

где р - плотность вещества, Ср - изобарная теплоемкость, V - ротор векторного поля, к - коэффициент теплопроводности, ц5 - коэффициент поглощения, (} - выделяемая энергия.

газом; 2 - вольфрамовый электрод;

3 - рабочий участок электрода;

4 - медная пластина

Для области, заполненной газом (рис. 1, Г), с учетом конвективного теплообмена (1) имеет вид:

рСр ^ + У(-/сУТ) = а + чД - рСр ■ и ■ УТ + т][7и + (Уи)г - (2/3) (Уи)!]: Уи,

где и - поле скоростей течения газа, Т) - коэффициент динамической вязкости.

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

р + р(и . = V ■ [р1 + г](Vи + (Уи)т) - (2^/3 - к^)(уи)I] + Р, (2)

где кф, - коэффициент продольной вязкости.

В качестве массовой силы Р в (2) используется частный случай силы Лоренца Р = ] х В, где/ - плотность тока.

Таким образом, дополнение системы уравнениями Максвелла для поля в сплошной среде позволит описывать явления магнитогидродинамики плазмы дуги.

Определение электромагнитных сил и джоулевого эффекта во всех элементах модели требует вычисления плотности тока и магнитной индукции. Для достижения этой цели, вычисляются связанные уравнением непрерывности

функции электрического потенциала V и магнитного векторного потенциала А: -V(erv X (V х А) + crVV - J6) = 0 (3)

V X (jUêVr ^X А) - ov X (V X А) + o-W = Iе, (4)

где fi0 - магнитная постоянная, - магнитная проницаемость среды, }е -плотность внешнего тока, v - скорость течения плазмы.

Плотность тока в средах определяется согласно закону Ома J = стЕ, компоненты вектора в системе координат имеют вид:

. dv dV , dV

Jx = > Jv — ®r I? — о —

JX ax ' 'У dy ' 'z dz

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

В = Vx А (5)

Я = ~ B-I, (6)

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

В качестве решателей систем уравнений использовались Direct (PARDI SO) и Direct (UMFPACK).

Системы уравнений теплопроводности и течения газа решаются в нестационарном режиме, а токов и потенциалов - в стационарном. Использование нестационарных систем обусловлено необходимостью инициирования дугового процесса.

Главным преимуществом использования модели является возможность получения информации о нескольких параметрах в определенный момент времени, что позволяет выявить их взаимовлияние. Верификация модели выполнялась по имеющимся в литературе данным и специально выполненными экспериментами. С этой целью разработана расчетно-экспериментальная методика построения эпюр давления дуги на сварочную ванну, в которой экспериментально определяется профиль сварочной ванны, а распределение давления строится расчетными методами, учитывающими гидростатическое давление в сварочной ванне, распределение температуры в ней, силы поверхностного натяжения, магнитное поле и его взаимодействие с металлом.

В основе методики лежит математическая модель, базирующаяся на анализе характера свободной поверхности Н (х, у) и дна к (х, у) сварочной ванны, получаемых экспериментальным путем.

Разработанная математическая модель позволяет построить кривые распределения давления на поверхности сварочной ванны на основе баланса сил вдоль оси неплавящегося катода для стационарной жидкой токопроводящей среды во внешнем гравитационном поле с учетом магнитного поля.

Построение профиля сварочной ванны основывалось на применении вставок-индикаторов из тугоплавких металлов, для чего в пластине, подвергаемой проплавлению, в плоскости перпендикулярной поверхности материала находились вставки из вольфрамовой проволоки диаметром 0,5 мм с шагом 1,25 мм.

Индикаторная пластина выполнялась сваркой взрывом в виде биметалла с армированием вольфрамовой проволокой, чем достигалось устранение сколь-нибудь значимых искажений формы профиля сварочной ванны, связанных с тепловым барьером и нарушением пространственной стабильности дуга.

Профиль сварочной ванны

Индикаторные вставки

Электрод

Оплавившиеся участки индикаторных вставок

а) б)

Рис. 2. - Схема (а) и результаты (б) определения профиля сварочной ванны

При выполнении проплавлений верхняя часть вставок, охваченная кратером сварочной ванны, оплавлялась под прямым воздействием высокотемпературной плазмы, очерчивая, тем самым, форму прогиба. На основе анализа макрошлифов оценивали профиль сварочной ванны, координаты которого служили начальными условиями для расчета при помощи математической модели (рис. 2).

3. Распределение напряженности магнитного поля вблизи катода и давления дуги на поверхности сварочной ванны

С целью установления взаимного влияния конструкции рабочего участка электрода, состава защитного газа и характера протекания катодных процессов на термосиловое воздействие дуги на сварочную ванну проведена серия экспериментов с использованием описанных выше модели и расчетно-экспериментальной методики.

В работе приметались как известные конструкции электродов, так и новые, разработанные непосредственно в ходе проведения исследований (рис. 3).

У электродов традиционной конструкции, заточенных на конус (рис. 3, а) катодное пятно сосредоточенно на острие (в зоне с низкой напряженностью). Зона с максимальной напряженностью Нтш у них расположена в непосредственной близости от оси катода и не дает расширяться столбу дугового разряда, в связи с чем при увеличении силы тока происходит сжатие дуги и повышается ее давление на сварочную ванну. С ростом угла заточки зона Нтах смещается от оси электрода и повышается градиент нарастания кривой напряженности магнитного поля, что обуславливает снижение осевого давления дуги Ртах на свариваемый металл (рис. 4). При удалении от оси дуги происходит резкое снижение дав-

Рис. 3 - Внешний вид неплавящихся электродов г ления, которое близко к нулю а_ заточенный на конус; б - с полостью на рабочем уча-в зс^не выхода линии сплав- стке; в - композиционный; г - с рабочим участком в виде

сопряженных конусов, д - с прорезью на рабочем участ-ления на поверхность свари- ^ е _ с пазом на рабочем участке

ваемого металла.

При использовании полого катода (рис. 3, б) активное пятно находится на внутренней стенке полости и представляет собой кольцо, площадь которого изменяется пропорционально току дуги. Это приводит к снижению катодного потока непосредственно на оси электрода и значительному уменьшению давления дуги на сварочную ванну по сравнению с электродом, заточенным на конус

Рис. 4. Радиальное распределение напряженности магнитного поля Н вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны: электрод, заточенный на конус; /д = 300 А; = 3 мм; газ - аргон, длина дуги 3 мм

Уменьшение толщины стенки полости несколько снижает Ртах, в то время как увеличение ее глубины с 1,5 до 6 мм не приводит к существенным изменениям характеристик дугового разряда. Однако чрезмерное уменьшение 5СТ, во-первых, затруднено с точки зрения технологии изготовления, а, во-вторых, снижает стойкость электрода.

С целью устранения этих недостатков была разработана конструкция электрода в виде сопряженных конусов (рис. 3, г), по сравнению с полым катодом обеспечивающая простоту изготовления и значительное расширение диапазона рабочих токов, при которых дуга горит с диффузным катодным пятном (патент РФ № 63279).

тах

(рис. 5). В результате при использовании полых катодов рост тока дуги мало сказывается на качестве формирования сварного шва, и во всем исследуемом диапазоне /ов получены качественные проплавления при различных соотношениях компонентов защитного газа.

И н. л/м Р. кПа

Чем меньше диаметр основания конуса, направленного к изделию О/, тем меньше площадь, занимаемая катодным пятном, выше градиент нарастания кривой напряженности магнитного поля вблизи катода, что приводит к значительному росту осевого давления дуги на сварочную ванну (рис. 6).

я

Рис. 5. Радиальное распределение напряженности магнитного поля И вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны: полый катод; 7Д = 300 А; £?э = 3 мм; газ - аргон, длина дуги 3 мм

Рис. 6. Радиальное распределение напряженности магнитного поля Н вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны: электрод с рабочим участком в виде сопряженных конусов; /д = 300 А; </э = 3 мм; газ - аргон, длина дуги 3 мм

Существенно меняется характер распределения давления на поверхности сварочной ванны при увеличении концентрации гелия в аргоно-гелиевой смеси (рис. 7, 8). Так, при концентрации гелия в смеси в диапазоне 20 ... 25 % отмечается скачкообразное снижение максимального давления на 35 ... 40 %. В чистом гелии Ртах имеет наименьшее значение на фоне некоторого повышения давления в периферийной зоне сварочной ванны, что позволяет с определенным приближением говорить о выравнивании эпюры давления дуги.

Такое изменение распределения давления дуги не может не сказываться и на процессе течения расплава в сварочной ванне. Резкое снижение максимального давления, наряду с ростом объема жидкого металла, снижает интенсивность потоков в ванне, вероятность образования таких дефектов, как бугры, наплывы, поры и подрезы.

Наилучшее формирование сварного шва будет наблюдаться при достаточно высоком содержании Не в защитном газе, т. к. при этом происходит сглаживание кривой давления. Максимально сглаженная эпюра давления с низким значением Ртах является наиболее предпочтительной с точки зрения бездефектного формирования проплавления.

Н, А/м

XI о'

Р,кПа 6,0

Рис. 7. Радиальное распределение напряженности магнитного поля Н вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны: /д = 300 А;

¿?э = 3 мм; длина дуги 3 мм

2

г, мм - I л-Ж

- &„=0,2!ш

- J D,=2m

SO/SO

Г ,мм

Рис. 8. Радиальное распределение напряженности магнитного поля Н вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны; композиционный электрод, /д = 300 А; диаметр вольфрамового стержня 3 мм; диаметр медной оболочки 6 мм; длина дуги 3 мм

Однако добавление 20 ... 25 % Не в смесь, несмотря на резкое снижение давления на оси и его благоприятное распределение на поверхности ванны, не приводит к сколь-нибудь значимому улучшению формирования сварного шва, причиной чего является уменьшение объема расплавленного металла сварочной ванны и рост интенсивности вытеснения расплава, вызывающий появление дефектов.

Нормализация формирования сварного шва происходит при концентрации Не, близкой к 50 %, когда объем расплавленного металла сварочной ванны и давление на ее поверхности достигают некоторого баланса. В этом существенную роль играет снижение силы поверхностного натяжения при переходе к смесям с повышенным содержанием гелия.

Увеличение /св > 400 А при использовании катодов, заточенных на конус, нецелесообразно, т. к. при этом наблюдается значительное заглубление дугового разряда в сварочную ванну, приводящее к росту подпора расплавленного металла. Высокое пиковое давление дуги приводит к разделению металла сварочной ванны, движению и кристаллизации расплава отдельными порциями, вплоть до появления сплошного несплавления, выходящего на поверхность проплавления.

Таким образом, конструкция рабочего участка неплавящегося электрода определяет конфигурацию магнитного поля вблизи катодного пятна, особенности которой, в свою очередь, обуславливают характер распределения давления и теплового потока дуги на сварочную ванну. Максимальное значение давления дуги зависит от напряженности магнитного толя вблизи катодного пятна и особенностей его распределения, характеризующихся крутизной нарастания кривой напряженности в плоскости сечения дуги у торца рабочего участка.

Все приведенные выше конструкции электродов являются телами вращения и создают вокруг себя симметричное магнитное поле.

Установлено, что с помощью конструкции электрода можно создать магнитное поле определенной конфигурации и придать источнику тепла некруговую форму, изменив направление силового воздействия дуги в процессе сварки. В процессе моделирования создана конструкция неплавящегося электрода с прорезью на рабочем участке (рис. 3, д; патент РФ № 88308), обеспечивающая режим горения дуги с диффузным катодным пятном и позволяющая получить поперечное, близкое к однородному магнитное поле.

Область минимума напряженности магнитного поля находится на торцевых поверхностях электрода и в прорези рабочего участка (рис. 9). Катодные пятна занимают, преимущественно, эти области, а столб дуги смещается в прорезь и располагается по оси электрода. В результате протекания сварочного тока в прорези образуется двунаправленное магнитное поле, близкое к однородному поперечному, которое является внешним по отношению к полю дуги. В результате, на дуговой разряд начинают действовать радиально направленные силы Лоренца, изменяя распределение теплового потока в сварочную ванну с кругового на эллиптический.

О 2 4 г, мм о 2 4 г, мм

Рис. 9. Радиальное распределение напряженности магнитного поля Я вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны:

электрод с прорезью на рабочем участке: 1,2- прорезь вдоль; 3,4- прорезь поперек; ширина прорези S: 1,3-0,5 мм, 2, 4, - 1,5 мм; Ià = 300 A; d3 = 3 мм; длина дуги 3 мм; газ - аргон

Качественная картина процессов, происходящих при помещении дуги, горящей в цилиндрическом канале, во внешнее однородное поперечное магнитное поле, заключается в следующем. Вследствие взаимодействия поля с током дуги возникает сила Лоренца/х В, которая приводит в движение газ в плоскости, перпендикулярной оси дуги. Поток массы вызывает конвективный перенос тепла, и первоначально цилиндрически симметричные профили Т(г) деформируются в направлении силы Лоренца.

В процессе выхода электрода на рабочий ток дуговой разряд возникает на одной из частей рабочего участка (рис. 10, а), свойства которого схожи с дугой с сосредоточенным катодным пятном, а по мере разогрева электрода катодное пятно смещается в область прорези.

Процесс перехода дуги в прорезь происходит скачкообразно, сопровождается снижением напряжения на 1,5 ... 2,5 В и изменением В АХ дуги. В процессе сварки дуговой разряд стабильно горит в широком диапазоне токов, блужданий катодных пятен по рабочему участку электрода не наблюдается (рис. 10, б, в).

Переход дуги к диффузному катодному пятну (смещение ее в прорезь) соответствует определенному значению силы тока, характерному для конкретных параметров рабочего участка электрода.

Факт существования диффузного катодного пятна, определяющим для которого является низкая плотность тока термоэмиссии электронов, подтверждается резким снижением катодного падения потенциала дуги на 2,5...3 В. По форме ВАХ дуги с электродом с прорезью на рабочем участке пологовозра-стающие, причем крутизна возрастания повышается с увеличением длины дуги.

а) б) в)

Рис. 10. Дуга с неплавящимся электродом с прорезью на рабочем участке: а - начальный момент выхода на рабочий ток; б, в - дуга с диффузным катодньм пятном: вид спереди (б) и сбоку (в)

Рис. 11. Радиальное распределение напряженности магнитного поля Н вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны:

электрод с прорезью на рабочем участке вдоль направления сварки; 1Я = 300 А; й?э = 3 мм; длина дуги 3 мм; газ - аргон

Распределение давления дуги на сварочную ванну зависит от ориентации прорези относительно направления сварки (рис. 9, 11, 12). При расположении прорези поперек шва распределение по продольной оси является более пологим и в значительной степени охватывает площадь основного металла.

Увеличение ширины прорези приводит к уменьшению катодного потока на оси электрода, вследствие чего снижается пиковое давление на сварочную ванну, в то'время как изменение ее глубины не сказывается на физических характеристиках дуги.

Таким образом, с помощью прорези у рабочего участка неплавящегося электрода создается однородное, но симметричное и двунаправленное поле относительно оси электрода.

Рис. 12. Радиальное распределение напряженности магнитного поля Н вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны:

электрод с прорезью на рабочем участке поперек направления сварки; /д = 300 А; йэ = 3 мм; длина дуги 3 мм; газ - аргон

С целью получения асимметричного распределения магнитного поля вблизи катода, смоделирована и реализована на практике конструкция неплавяще-гося электрода с пазом на рабочем участке (рис. 3, е).

Наличие паза на рабочем участке формирует область с низкой напряженностью поля, создаваемого протекающим током, что приводит к смещению дугового разряда в эту область (рис. 13). Образование поперечного, близкого к однородному магнитного поля, являющегося внешним по отношению к дуге, приводит к появлению радиально направленной силы Лоренца, действующей на дуговой разряд и отклоняющей его в сторону (рис. 14), что позволяет компенсировать естественное отставание дуги при сварке на больших скоростях.

Величина асимметрии поля определяется, преимущественно, глубиной паза к, увеличение которого способствует более стабильному горению дуги в об-ласги паза. Малая величина к (менее половины диаметра электрода) позволяет отклонить дуговой разряд на больший угол. Однако при высоких значениях силы тока наблюдается блуждание катодного пятна по торцу электрода.

Как и в случае применения электрода с прорезью, дуга возбуждается на одном из нижних углов на рабочем участке, образованных пазом, но, в силу того, что сечение рабочего участка сплошное, сила, отклоняющая дугу, действует сразу. Угол отклонения дуги практически не зависит от силы тока, что, по-видимому, объясняется балансом между ростом отклоняющей силы и силы, стабилизирующей дуговой разряд при больших значениях тока. На определенном значении тока катодное пятно занимает внутренние области паза и появляется эффект диффузного катодного пятна.

4. Формирование швов при сварке неплавящимся электродом сильноточной дугой

Как уже отмечалось, при дуговой сварке неплавящимся электродом качество формирования сварного шва во многом определяется характером распределения давления на поверхности расплава. Однако немаловажную роль играют закономерности движения расплавленного металла сварочной ванны. Особенностью этого процесса при сварке с неплавящимся катодом является образование подпора жидкого металла в хвостовой части ванны, с последующим опрокидыванием последнего и образованием дефектов.

При аргонодуговой сварке ключевым фактором, наряду с давлением дугового разряда, определяющим объем оттесненного металла, является скорость сварки, обуславливающая величину отставания анодного пятна относительно катода, и, как следствие, дискретность перемещения разряда на поверхности свариваемого материала. В момент максимального отставания катодный плазменный поток вблизи поверхности металла принимает ориентацию, близкую к

Рис. 13. Радиальное распределение напряженности магнитного ноля Я вблизи катодного пятна и давления дуги Р на поверхность сварочной ванны:

электрод с пазом на рабочем участке; 1Л = 300 А; Л, = 3 мм; длина дуги 3 мм; газ - аргон

Таким образом, конструкция рабочего участка неплавящегося электрода определяет конфигурацию магнитного поля вблизи катодного пятна, особенности которой, в свою очередь, обуславливают характер распределения давления и теплового потока дуги на сварочную ванну. Максимальное значение давления дуги зависит от напряженности магнитного поля вблизи катодного Рис. 14. Форма и характер горе-

пятна и особенностей его распределения, харак- «ия душ с электродом с пазом

„на рабочем участке теризующихся крутизной нарастания кривои

напряженности в плоскости сечения дуги у торца рабочего участка.

горизонтальной, в результате чего формируются текущие преимущественно по боковым стенкам кратера потоки металла, которые, объединяясь при кристаллизации, приводят к нарушению формирования шва в виде бугров. Поиск путей решения этой проблемы требует ответа на вопрос о причине такого отставания, противоречащего, на первый взгляд, принципу Штейнбека.

Скоростная видеосъемка позволила достоверно зафиксировать основные стадии процесса формирования дефектов шва с обеспечением равной яркости наиболее важных для наблюдения зон.

Когда катодное и анодное пятна находятся непосредственно на оси электрода, а зеркало сварочной ванны практически параллельно поверхности свариваемого изделия, движение метачла осуществляется преимущественно по дну сварочной ванны и полностью отсутствует его нависание в хвостовой части последней. Отставание анодного пятна относительно катода приводит к образованию завихрений и подпору металла (рис. 15, 16, а), что является результатом отклонения катодного потока, вызванного нарушением осевой симметрии дуги.

При дальнейшем увеличении расстояния между осью катода и анодным пятном начинается обтекание металла отдельными порциями по стенкам ванны, приводящее к появлению т.н. «валиковых турбулентностей». При этом происходит заглубление дугового разряда в расплав не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении, т.е. происходит «подныривание» дуги под жидкий металл.

На этой стадии наблюдается одновременное движение трех масс расплавленного металла, — по дну и стенкам сварочной ванны, приводящее к образованию нависания не только в хвостовой части, но и по боковым стенкам за осью катода (рис. 15, 16, б, в). В следующий момент времени (рис. 15, 16, г) происходит резкое смещение анодного пятна под электрод, вызывающее схлопывание расплавленного металла сварочной ванны. При этом возможны два варианта: первый — потоки расплава сольются в единую каплю, и когда ее масса достигнет критического значения, произойдет опрокидывание жидкого металла с образованием больших газовых полостей, наплывов и «перетяжек»; второй - кристаллизация металла, обтекающего по боковым стенкам ванны, произойдет раньше, чем он достигнет хвостовой части сварочной ванны. В результате этого образуются закристаллизовавшиеся наплывы с каждой стороны сварочной ванны, а также обнажается ее дно. Однако, несмотря на некоторые различия протекания этих процессов, результатом является появление недопустимых дефектов, в образовании которых прослеживается периодичность через определенное расстояние, величина которого зависит от скорости сварки, объема расплавленного металла и силового воздействия дугового разряда (рис. 16, а, 18).

I

I

Рис. 15. Кинетика нарушения формирования сварных швов при сварке в аргоне (вид сбоку и спереди): электрод с&= 4 мм, а = 45°, = 0,5 мм; vcв = 20 м/ч; /д = 500 А; а - 0,0 сек, б- 0,28 сек, в - 0,56 сек, г - 0,84 сек

14 1,сек

14 е, сек

Рис. 16. Осциллограммы напряжения:

электрод с/э= 4 мм, а = 45°, с!щ - 0,5 мм; ум = 20 м/ч; 1Д = 500 А; а - Аг; б - Не

Рис. 18. Внешний вид шва при сварке в аргоне: электрод с}3 = 4 мм, а = 45°, £?„р = 0,5 мм; 1Д = 500 А; усв = 20 м/ч

При наличии в смеси 25% Не картина происходящего изменяется. Гелий оказывает стабилизирующее воздействие на пространственную устойчивость дугового разряда, выражающееся в значительном уменьшении отставания анодного пятна (рис. 19, а).

В тоже время, при указанной концентрации гелия происходит снижение объема расплава, связанное, как показали исследования, с резким снижением полного Рис. 17. Стадии нарушения формиро- КПД и пикового давления разряда на сва-вания швов при сварке неплавящим- риваемый металл. Однако, несмотря на ся электродом, заточенным на конус в эт0> движение ПОТоков металла по-аргоне (см. рис. 15)

прежнему остается интенсивным. Уменьшение массы жидкого расплава сварочной ванны приводит к тому, что даже значительно снизившегося силового воздействия дуги достаточно для вытеснения большей части металла сварочной ван-

г)

ны. Пространственная стабилизация дугового разряда гелием приводит к увеличению частоты перемещения анодного пятна при меньшем отставании его. В результате формирование сварного шва несколько нормализуется и уменьшается количество дефектов (рис. 19, а).

б)

Рис. 19. Кинетика формирования сварных швов при сварке: электрод <4= 4 мм, а = 45°, й?„р = 0,5 мм; усв = 20 м/ч; 1Л = 500 А; а - смесь 75 % Аг + 25 % Не; б - Не

Увеличение концентрации Не в смеси обуславливает большую привязку анодного пятна дугового разряда к проекции оси электрода на сварочную ванну. Так, при использовании гелия при сварке с традиционным катодом отклонения дуги от оси практически не наблюдаются, т.е. полностью отсутствует дискретность перемещения не только самого разряда, но и масс расплава к

1

I ••-•/ сек

фронту кристаллизации (рис. 19, б). Несмотря на значительное заглубление дуги в расплав, увеличение его объема наряду со снижением пикового давления, приводит к отсутствию нависания жидкого металла в хвостовой части сварочной ванны. Поступательное движение металла в объеме сварочной ванны и его равномерная кристаллизация способствуют бездефектному формированию шва.

Свой вклад в нормализацию проплавления вносит также снижение сил поверхностного натяжения при сварке в гелии в результате уменьшения коэффициента поверхностного натяжения на границе газ-металл.

а) 6)

Рис. 20. Кинетика формирования сварных швов при сварке: усв - 20 м/ч; /д - 500 А;

газ - Аг; а - электрод с рабочим участком в виде сопряженных конусов; б - полый катод

Таким образом, главными причинами появления пор, «перетяжек» и подрезов, являются дискретность перемещения порций расплавленного металла к

фронту кристаллизации, обусловленная отклонением дуги от соосного положения с катодом, и значительное нависание расплава в хвостовой части сварочной _ ванны, вызванное чрезмерным пиковым давлением на оси разряда.

Применение гелия в качестве защитного газа является одним из решений обеих проблем. Как было показано ранее, увеличение его концентрации в смеси снижает силовое воздействие разряда на свариваемый металл и повышает пространственную устойчивость дуги.

Вторым инструментом управления качеством формирования сварных швов при сварке неплавя-щимся катодом является применение электродов, конструкция которых обеспечивает горение дуги с диффузионным катодным пятном (полый катод, электрод с рабочим участком в форме сопряженных конусов, электрод с прорезью или с пазом на рабочем участке). Дуга с

-----------------------такими катодами имеет высокую

\ | / пространственную устойчивость

гН даже при использовании чистого

-^Ьл) аргона (рис. 20, 21).

1—1 Рассредоточенность катодного I. , потока обуславливает отсутствие

^^ЧЩЩЦш ¡Щ сколь-нибудь значимого вытеснения

расплавленного металла и равномерное поступление его к фронту кристаллизации, способствующее формированию бездефектного

сварного соединения (рис. 20,21).

Отклонение горения дуги в направлении сварки при использовании электрода с пазом на рабочем участке способствует лучшему разогреву и оттеснению жидкого металла из фронта сварочной ванны, а также равномерному рас-

Рис. 21. Кинетика формирования сварных швов нри сварке: усв = 20 м/ч; 1Д = 500 А; газ - Аг; электрод с пазом на рабочем участке

I 1

пределению силового воздействия по площади, что приводит к хорошему формированию при сварке на высоких скоростях и погонной энергии (рис. 21).

Рис. 22, Верхняя граница области рационального применения неплавящихся электродов

Таким образом, на движение расплава в сварочной ванне, а в конечном итоге и на качество полученного соединения, определяющее влияние оказывает характер распределения давления на поверхность свариваемого материала и величина отставания анодного пятна от электрода. Избежать образования дефектов формирования шва можно двумя способами: во-первых, применением электродов, обеспечивающих диффузное катодное пятно; во-вторых - увеличением концентрации гелия в защитном газе при сварке с традиционным катодом, заточенным на конус.

На основе анализа результатов исследований определены верхние границы области параметров режима рационального применения неплавящихся электродов всех рассмотренных конструкций с точки зрения получения бездефектного формирования шва (рис. 22), а также даны рекомендации их возможного использования для различных технологических процессов: сварки, наплавки, термообработки.

5. Технологические свойства дуги с неплавящимся электродом

На проплавляющую способность дуги постоянного тока оказывают существенное воздействие, как форма рабочего участка электрода, так и состав защитного газа. Эти факторы взаимосвязаны таким образом, что, имея заданный состав газа можно получить нормальное формирование сварного шва при одной конструкции катода и абсолютно неудовлетворительное - при другой.

Использование электродов, обеспечивающих режим горения дуги с диффузным катодным пятном, позволяет получить хорошее формирование шва на значительно более высоких значениях сварочного тока, чем при использовании 30

электродов с конической заточкой рабочего участка.

Следует отметить, что в силу специфических особенностей дугового разряда с диффузным катодным пятном, его применение обеспечивает нормальное формирование шва и в чистом аргоне. Зависимость ширины проплавления от концентрации компонентов аргоно-гелиевой смеси имеет минимум, соответствующий содержанию гелия 25%. Объяснить это можно незначительным увеличением мощности дуги и, вероятно, некоторым сжатием анодного пятна при добавлении в смесь гелия. Однако дальнейшее увеличение концентрации гелия приводит к повышению мощности дуги и увеличению ширины проплава.

Как уже отмечалось, использование заточенных на конус электродов (на токах 300 А и выше) при содержании Не в защитном газе до 50% приводит к нестабильному формированию швов (происходит интенсивное перемешивание и обратное натекание жидкого металла сварочной ванны, с образованием выплесков, подрезов и несплошностей в сварном шве). Поэтому очень сложно сделать какие-либо выводы по параметрам проплавления в данной области, т.к. они отличаются крайней нестабильностью даже во время выполнения одного проплава.

С увеличением концентрации гелия в защитном газе от 50 до 100 % ширина шва остается практически неизменной, а глубина проплавления возрастает для электродов, заточенных на конус - в 1,2 ...1,3, композиционных - в 1,6 ...1,7, для полых катодов и электродов с рабочим участком в виде сопряженных конусов, с пазом и прорезью на рабочем участке - в 1,1 ... 1,2 раза.

Для зависимости площади проплавления от состава защитного газа характерно наличие минимума, соответствующего концентрации гелия 25 %. Это присуще электродам всех рассмотренных конструкций и связано, по-видимому, с резким снижением силового воздействия дуги на металл сварочной ванны.

Увеличение площади проплавления 5пр при токах свыше 400 А происходит в основном за счет роста ширины шва при практически неизменной глубине проплавления. Объяснить это можно большими объемами сварочной ванны и неспособностью дуги вытеснить значительные массы расплавленного металла.

Снижение 5пр наиболее выражено при содержании гелия 25% в случае использования электродов, обеспечивающих горение дуги с диффузным катодным пятном. В тоже время для дуги с традиционным катодом, заточенным на конус, снижение ^ менее заметно. Это объясняется более интенсивным перемешиванием расплавленного металла в объеме сварочной ванны и эффективным теплообменом для разряда, горящего с сосредоточенным катодным пятном.

По всей видимости, с увеличением содержания гелия в смеси газов имеют место два процесса, влияющие на изменение свойств сварочной дуги: увеличе-

ние мощности разряда, с одной стороны, и снижение его газодинамического воздействия, затрудняющего эффективность теплообмена, - с другой. Последний фактор связан с изменением характера нагрева электродов и при малых концентрациях гелия на проплавляющей способности дуги сказывается сильнее, чем рост ее мощности.

В тоже время, с дальнейшим изменением соотношения компонентов смеси в сторону увеличения содержания гелия влияние роста мощности дуги, как функции ид, и связанного с ним повышения проплавляющей способности носит

преобладающий характер.

В пользу этого говорят результаты проплавлений, выполненных на значениях сварочного тока 100...200 А. При таких значениях 1Л газодинамическое воздействие дуги на металл малозначимо, и рост концентрации гелия несущественно сказывается на абсолютной величине давления дуги Рл. В результате площадь проплавлений с увеличением концентрации гелия непрерывно возрастает, а снижение проплавляющей способности дуги при его 25%-ном содержании отсутствует.

50/50

Не

поперек

50/50

//////

Рис. 23. Влияние состава защитного газа и конструкции электрода на глубину Ь„р и коэффициент формы \}/„р нроплавления: усв = 20 м/ч; /д = 400 А; газ - Аг

При сварке в гелии ширина проплава пропорционально возрастает с увеличением тока, а йпр в интервале токов от 200 до 300 А остается неизменной. По всей видимости, объем жидкого металла достигает некоторого значения, ограничивающего теплопередачу от дуги в свариваемый материал вследствие снижения интенсивности вытеснения расплава из-под оси разряда. Однако дальнейшее увеличение силы тока приводит к росту глубины проплавления.

Таблица 1

Рекомендации по применению неплавящихся электродов

Кон стру кция

Форма проплавления

Преимущества

Простота изготовления

Низкий расход вольфрама, повышение стойкости электрода

Снижение давления дуга. Повышение силы тока и скорости сварки /наплавки в 3 ... 3,2 раза.

8иРйР

Увеличение диапазона рабочих токов дуги с диффузным катодным пятном. Простота изготовления рабочего участка. 5* . Снижение давления дуги. Повышение силы тока в 2,5 ... 2,6 раза и скорости сварки /наплавки в 2,7 ... 2,8

Недостатки

Высокое давление дуги. Узкий диапазон параметров режима, обеспечивающих бездефектное формирование швов, низкая стойкость рабочего участка

Сложность изготовления. Узкий диапазон параметров режима

Сложность изготовления рабочего участка

Повышенный расход вольфрама при изготовлении и переточке

Рекомендуемая область применения

Сварка на токах до 300 А, скоростях до 20 м/ч

Сварка на токах до 400 А, скоростях до 25 м/ч

Высокопроизводительная наплавка и сварка многопроходных швов

Высокопроизводительная наплавка и сварка многопроходных швов

Увеличение диапазона рабочих токов дуги с диффузным катодным пятном. Простота изготовления рабочего участка. Повышение силы тока и скорости сварки /наплавки в 3 ... 3,2 раза

Высокопроизводительная сварка

вдоль

оси

шва

Увеличение диапазона рабочих токов дуги с диффузным катодным пятном. Простота изготовления рабочего участка. Повышение силы тока и скорости сварки /наплавки в 3 ... 3,2 раза

Высокопроизводительная наплавка

Возможность отклонения горения дуги в сторону направления сварки. Простота изготовления рабочего участка. Повышение силы тока в 2,8 ... 3 раза и скорости сварки /наплавки в 4 ... 4,2 раза

Высокоскоростная сварка

Примечание: уСв ~ 20 м/ч; 1д = 400 А; газ - Аг

В целом при сварке на токах свыше 300 А применение аргоно-гелиевых смесей в качестве средства повышения проплавляющей способности дуги становится целесообразным лишь при концентрациях в них гелия более 35 ... 40%. При меньших концентрациях гелия проплавляющая способность дуги уступает дуге в чистом аргоне, однако применение последней затруднено из-за нарушения формирования швов.

Сравнение показателей проплавлений, выполненных на токе 400 А, в зависимости от процентного соотношения компонентов в аргоно-гелиевой смеси и конструкции катодов представлено на рис. 23.

Как видно, наибольшая глубина проплавления наблюдается при использовании электрода с пазом на рабочем участке и с прорезью, ориентированной вдоль направления сварки, что в сочетании с хорошим формированием шва позволяет производить сварку на высоких значениях скорости и погонной энергии. Минимальная кщ, с максимальным коэффициентом формы шва у электрода с прорезью на рабочем участке поперек направления сварки, что является наилучшим показателем для высокопроизводительной наплавки (табл. 1).

На основе исследований энергетических и технологических характеристик дуги в инертных газах и их смесях, ее силового и электромагнитного воздействия на сварочную ванну, разработаны пути и средства улучшения формирования сварных швов, увеличения проплавляющей способности дуги и производительности сварки неплавящимся электродом.

Проведенные исследования послужили основой для разработки новых технологий и создания высокоэффективных материалов для сварки неплавящимся электродом в инертных газах. Новые технологические процессы внедрены на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь», ОАО «Астраханьгазпром», Волжском научно-техническом комплексе, ЗАО ПКК «Славянка», Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги, МП ПО «Волгоградэлектрот-ранс». Экономический эффект от внедрения новых разработок составил 2,1 млн. рублей. Доля автора во внедренных разработках 60%.

ВЫВОДЫ

1. На основе комплекса исследований установлены основные взаимосвязи конструкции рабочего участка неплавящихся электродов, характера протекания катодных процессов, состава защитного газа и конфигурации магнитного поля вблизи катодного пятна с термосиловым воздействием дуги на сварочную ванну, позволяющие научно обоснованно и эффективно управлять ее технологиче-

скими характеристиками, обеспечивая требуемую стабильность формирования швов и высокую производительность процесса сварки.

2. Максимальное значение давления дуги зависит от напряженности магнитного поля вблизи катодного пятна и особенностей его распределения, характеризующихся крутизной нарастания кривой напряженности в плоскости сечения дуги у торца рабочего участка. У электродов, заточенных на конус, зона с максимальной напряженностью Нтах расположена в непосредственной близости от оси катода, в связи с чем его давление на сварочную ванну велико. С ростом угла заточки максимум напряженности смещается от оси электрода, увеличивая диаметр столба дуги и снижая ее пиковое давление Ртах. Замена аргона на гелий повышает градиент напряженности магнитного поля у катода и уменьшает Ртах, следствием чего является улучшение формирования швов.

3. При использовании полых катодов уменьшение толщины стенки снижает Ртса, в то время как изменение глубины полости не приводит к изменениям характеристик дугового разряда. Замена аргона на гелий в случае горения дуги с диффузным катодным пятном, в отличие от сосредоточенного разряда, повышает напряженность магнитного поля вблизи катода незначительно, в то время как понижение максимального давления наблюдается во всех случаях.

4. Собственное магнитное поле тока, текущего по рабочему участку непла-вящегося электрода с прорезью на рабочем участке, взаимодействуя с полем дуги, приводит к образованию радиально направленных сил Лоренца, которые изменяют распределение теплового потока с кругового на эллиптический. С помощью изменения собственного магнитного поля тока посредством конструкции рабочего участка обеспечивается эффект, аналогичный применению внешнего магнитного воздействия, выражающийся в отклонении дуги в направлении сварки, что позволяет компенсировать естественное ее отставание на высоких значениях скорости.

Таким образом, конструкция рабочего участка неплавящегося электрода, определяя конфигурацию магнитного поля вблизи катодного пятна, обуславливает характер распределения давления и теплового потока от дуги в свариваемый металл.

5. При сварке неплавящимся электродом с конической заточкой рабочего участка в аргоно-гелиевых смесях с содержанием Не 5 50 % критическая величина скорости, выше которой образуются значительные дефекты формирования шва, зависит от тока. При снижении 1д критическая скорость сварки возрастает в результате уменьшения силового воздействия дуги. Увеличение содержания гелия в смеси свыше 50 % приводит к стабилизации формирования шва при сварке на высоких значениях скорости и погонной энергии в случае использования композиционных электродов и катодов с традиционной заточкой рабоче-

го участка. Применение электродов, конструкции которых обеспечивают режим горения дуги с диффузным катодным пятном, обеспечивает хорошее формирование шва на более высоких значениях сварочного тока при любом соотношении компонентов аргоно-гелиевой смеси.

6. Распределение давления дуги на поверхности сварочной ванны зависит от соотношения компонентов аргоно-гелиевой смеси и. характера протекания катодных процессов, определяемого конструкцией рабочего участка неплавя-щихся электродов. Увеличение концентрации гелия в защитном газе ведет к снижению максимального значения Ртах и выравниванию давления в периферийной зоне сварочной ванны. Такое изменение распределения давления дуги сказывается и на процессе течения расплава сварочной ванны. Резкое снижение максимального давления, наряду с ростом объема жидкого металла, снижает движение его потоков в ванне, вероятность образования дефектов, таких как бугры, наплывы, поры и подрезы. Наилучшее формирование сварного шва наблюдается при высоком содержании Не в защитном газе (более 50 %), вследствие сглаживания кривой давления. Этора давления с невыраженным значением Ртах / Рср является наиболее предпочтительной с точки зрения бездефектного формирования проплавления.

7. При концентрации гелия в защитном газе в диапазоне 20 ... 25 % происходит скачкообразное снижение максимального значения и качественное изменение характера распределения давления на поверхности сварочной ванны, проявляющееся в формировании области с малым градиентом в центре сварочной ванны. Такая трансформация эгаоры давления является одной из причин, вызывающих снижение площади проплавления. Это связано со снижением уровня заглубления дугового разряда в металл, и как следствие, изменением условий теплопередачи и движения расплава в сварочной ванне.

8. Зависимости эффективного КПД от пропорции аргоно-гелиевой смеси имеют выраженный максимум, соответствующий 75 ... 80 % концентрации Не. Наибольшее значение г)и = 0,77 достигается для композиционных электродов и катодов с заточкой рабочего участка на 90°, а наименьшее Г1„ = 0,72 - для полых катодов, что свидетельствует о значимой роли силового воздействия дуги в ее проплавляющей способности.

9. С увеличением концентрации гелия в защитном газе от 50 до 100 % ширина шва остается практически неизменной, а глубина проплавления возрастает для электродов, заточенных на конус - в 1,2 ...1,3, композиционных - в 1,6 ...1,7, для полых катодов и электродов с рабочим участком в виде сопряженных конусов, с пазом и прорезью на рабочем участке - в 1,1 ... 1,2 раза. Наибольшая Нщ, наблюдается при использовании электрода с пазом на рабочем участке и с прорезью, ориентированной вдоль направления сварки, что в сочетании

с хорошим формированием шва позволяет производить сварку на высоких значениях скорости и погонной энергии. Минимальная йпр с максимальным коэффициентом формы шва у электрода с прорезью на рабочем участке поперек направления сварки, что является наилучшим показателем для высокопроизводительной наплавки.

10. Проведенные исследования послужили основой для разработки новых технологий и создания высокоэффективных материалов для сварки неплавя-щимся электродом в инертных газах. Новые технологические процессы внедрены на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь», ОАО «Астраханьгазпром», Волжском научно-техническом комплексе, ЗАО ПКК «Славянка», Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги, МП ПО «Волгоградэлек-тротранс». Экономический эффект от внедрения новых разработок составил 2,1 млн. рублей.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 78 работах, наиболее значительными среди которых являются следующие монография, статьи в реферируемых журналах (из списка ВАК) и изобретения:

1. Савинов, А. В. Дуговая сварка неплавящимся электродом / А. В. Савинов, И. Е. Лапин,

B. И. Лысак. - М: Машиностроение, 2011. - 477 е., ил.

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

3. Лапин, И. Е. Об устойчивости дуги при сварке неплавящимся электродом тонколистового алюминия и его сплавов / И. Е. Лапин, В. А. Косович, А. В. Савинов // Сварочное производство. - 1996. -№ 10. - С. 17 -19.

4. Косович, В. А. Выбор формы рабочей зоны неплавящегося электрода для сварки в аргоне дугой постоянного тока / В. А. Косович, И. Е. Лапин, А. В. Савинов // Сварочное производство. - 1997. - № 2. - С. 33-35.

5. Косович, В. А. Выбор материала и конструкции неплавящегося электрода при аргоно-дуговой сварке переменным током / В. А. Косович, И. Е. Лапин, А. В. Савинов // Сварочное производство. - 1997. - № 8. - С. 43 - 45.

6. Косович, В. А. Тепловые условия работы неплавящихся электродов при сварке алюминия разнополярными импульсами тока прямоугольной формы / В. А. Косович, И. Е. Лапин, А. В. Савинов, А. Н. Потапов // Сварочное производство. - № 10. - 2000. -

C. 3-5.

7. Косович, В. А. Статические и динамические вольт-амперные характеристики дуги вольфрам - алюминий переменного тока прямоугольной формы / В. А. Косович, И. Е. Лапин, А. Н. Потапов, А. В. Савинов, В. И. Лысак // Автоматическая сварка -№ 10. -2001. - С. 51 - 56.

8. Лапин, И. Е. Энергетические характеристики дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов при сварке алюминиевых сплавов ) И. Е. Лапин, В. А. Косович, А. Н. Потапов, А. В. Савинов / Сварочное производство. - 2002. - № 10. - С. 3 - 6.

9. Власов, С. Н. Стойкость неплавящихся электродов различных конструкций при сварке малоамперной дугой в гелии / С. Н. Власов, И. Е. Лапин, А. В. Савинов, В. И. Лысак // Сварочное производство. — 2004. - № 7. - С. 46 -49.

10. Лапин, И. Е. Стойкость и технологические свойства неплавящихся электродов при сварке алюминиевых сплавов дугой переменного тока с прямоугольной формой импульсов / И. Е. Лапин, А. В. Савинов, А. Н. Потапов, В. И. Атаманюк, В. И. Лысак // Сварочное производство. — 2005. - № 1. - С. 4 -7.

11. Атаманюк, В. И. Моделирование нагрева неплавящихся электродов с учетов катодных процессов / В. И. Атаманюк, И. Е. Лапин, А. В. Савинов, В. И. Лысак // Известия Тульского государственного университета. - 2005. - Выпуск 3. - С. 174-180.

12. Савинов, А. В. Влияние состава защитного газа на тепловые условия работы неплавящихся электродов при сварке дугой постоянного тока / А. В. Савинов, В. И. Атаманюк, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, А. Б. Маркин // Сварочное производство. - 2007. - № 6. -С. 10-14.

13. Арефьев, И. В. Минимизация напряжений в наплавленном металле при восстановлении наплавкой оборудования химических производств / И. В. Арефьев, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, А. Н. Потапов, А. В. Савинов // Ремонт, восстановление, модернизация. -2007,-№8.-С. 36-39.

14. Пермяков, И. Л. Сравнительный анализ напряжений второго рода в сварных спираль-ношовных и прямошовных трубах / И. Л. Пермяков, А. В. Савинов, И. В. Арефьев, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, П. Р. Нечипоренко // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 2. - 2008. - № 10 (48). - С. 74 - 77.

15. Арефьев, В. И. Влияние параметров ручной дуговой наплавки на остаточные сварочные напряжения, механические свойства наплавленного металла и околошовной зоны / И. В. Арефьев, И.Л. Пермяков, А. В. Савинов, И. Е. Лапин, А. Н. Потапов, В. И. Лысак, П. Р. Нечипоренко // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 2. - 2008. - № 10 (48). - С. 77 - 80.

16. Арефьев, И. В. Снижение уровня макро- и микронапряжений в наплавленном металле при восстановлении крупногабаритных конструкций / И. В. Арефьев, А. В. Савинов, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, А. Н. Потапов // Сборка в машиностроении, приборостроении. -2009. -№ 10. - С. 41 -46.

17. Савинов, А. В. Влияние состава защитного газа и конструкции неплавящегося катода на проплавляющую способность дуги и формирование сварных швов / А. В. Савинов, В. И. Атаманюк, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, И. Л. Пермяков, О. А. Полесский П Сварочное производство. - 2009. - № 12.-С.39-43.

18. Савинов, А. В. Определение профиля свободной поверхности сварочной ванны /

A. В. Савинов, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, О. А. Полесский // Сварка и диагностика. -2010. -№ 1.-С. 24-27.

19. Савинов, А. В. Математическая модель давления дуги на сварочную ванну при сварке неплавящимся электродом / А. В. Савинов, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, О. А. Полесский // Сварка и диагностика. - 2010. - № 2. - С. 26 -30.

20. Полесский, О. А. Влияние конструкции неплавящегося электрода на формирование шва при аргонодуговой сварке / О. А. Полесский, А. В. Савинов, И. Е. Лапин,

B. И. Лысак, И. В. Арефьев // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 4. - 2010. - № 4 (64). - С. 138 -140.

21. Савинов, А. В. Основные закономерности изменения энергетических и технологических характеристик дугового разряда в смесях инертных газов / А. В. Савинов, О. А. Полесский, И. Е. Лапин, В. И. Лысак, И. В. Арефьев // Сварка и диагностика. -

2010. -№ 6. -С. 14-17.

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

23. Савинов, А. В. Стойкость неплавящихся электродов при аргонодуговой сварке на переменном токе / А. В. Савинов // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 7. - 2013. - № 6 (109). - С. 142 - 147.

24. Устройство для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока. Патент РФ №2135336 / И. Е. Лапин, В. А. Косович, А. Н. Потапов, А. В. Савинов.

25. Неплавяшийся электрод для дуговой обработки материалов. Патент РФ № 2170652 /

B. А. Косович, И. Е. Лапин, О. А. Русол, А. В. Савинов Бюллетень изобретений и полезных моделей. - № 20. - 2001. - С. 244 - 245.

26. Способ сварки в защитных газах с принудительным охлаждением шва и зоны термического влияния: Патент РФ 2232668, МКИ 6 В23 К9/16 / С. Н. Власов, И. Е. Лапин, А. В. Савинов, В. И. Лысак, А. Н. Потапов, В. И. Атаманюк. - 2004. - Бюл. № 20. -

C. 296.

27. Способ дуговой сварки алюминия и его сплавов неплавящимся электродом: Патент РФ 2254214, МКИ 6 В23 К9/167//В23 К103:10 / В. И. Атаманюк, И. Е. Лапин, А. В. Савинов, В. И. Лысак, А. Н. Потапов, С. Н. Власов - 2005. - Бюл. № 17. - С. 287.

28. Неплавяшийся электрод для дуговой обработки материалов: Патент РФ № 63279, приоритет от 20.12.2006г., зарегистрирован 27.05.2007г. Атаманюк В.И., Лапин И.Е., Маркин А.Б., Савинов A.B., Власов С.Н.

29. Неплавяшийся электрод для дуговой обработки материалов: Патент РФ № 2318642, приоритет от 26.05.2006г., зарегистрирован 10.03.2008г. С. Н. Власов, И. Е. Лапин, А. В. Савинов, В. И. Атаманюк, А. Б. Маркин

30. Неплавяшийся электрод для дуговой сварки: Патент № 88308, приоритет от 27.05.09г., зарегистрирован 10.11.09г. О. А. Полесский, А. В. Савинов, И. Е. Лапин, И. В. Арефьев, В. И. Лысак

31. Способ аргонодуговой обработки сварных соединений для снятия остаточных сварочных напряжений: Патент № 2376345, приоритет от 07.11.07г., зарегистрирован 20.12.09г. И. В. Арефьев, И. Е. Лапин, И. Л. Пермяков, В. И. Лысак, А. В. Савинов, А. Н. Потапов

Личный вклад автора.

В представленных работах автором предложены и обоснованы новые методы исследования процессов, протекающих при сварке неплавящимся электродом [11, 18, 19, 22], получены и проанализированы результаты исследований тепловых условий работы и стойкости неплавящихся электродов [4, 5, 6, 9, 10, 23], электрофизических характеристик и устойчивости дуги с вольфрамовым катодом в аргоне, гелии и их смесях [3, 7, 8, 21], качества формирования и механических свойств получаемых соединений [13 ... 16, 20], предложены новые технические и технологические решения [2, 24 ... 31], проанализированы, обобщены и систематизированы результаты собственных исследований, а также других ученых и специалистов в области сварки неплавящимся электродом в инертных газах [1].

Подписано в печать 02.10.2013 г. Заказ № 645. Тираж 100 экз. Печ. л. 2,0. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи

05201

Савинов Александр Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДУГИ С НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ

05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -чл.-корр. РАН,

заслуженный деятель науки РФ Лысак Владимир Ильич

Волгоград - 2013г.

Оглавление

Введение......................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Достижения, проблемы и перспективы дуговой сварки неплавящимся электродом

1.1. Газодинамическое воздействие дуги на металл сварочной ванны............................................................................................................................................................................19

1.2. Анализ факторов, определяющих характер процесса формирования швов и образования дефектов при сварке неплавящимся электродом..................................................................................................................................................34

1.3. Давление сварочной дуги и его влияние на формирование соеди-

нения.................................................................................... 52

1.4. Влияние защитной атмосферы на силовое воздействие дугового разряда................................................................................. 60

1.5. Проплавляющая способность дуги с неплавящимся электродом и тепловая эффективность процесса сварки..............................................................................................................................................................................63

1.6. Цель и задачи исследований....................................................................................................71

ГЛАВА 2. Материалы, оборудование и методики проведения экспериментов

2.1. Материалы и оборудование..................................................... 73

2.2. Оценка проплавляющей способности дуги постоянного тока с неплавящимся электродом в аргоно-гелиевых смесях..............................79

2.3. Методы исследования тепловых процессов............................................................80

2.4. Методы исследования электромагнитных процессов........................83

2.5. Методика визуализации катодных процессов и кинетики формирования сварных швов..........................................................................................................85

ГЛАВА 3. Исследование влияние состава защитного газа и конструкции неплавящегося электрода на распределение напряженности магнитного поля вблизи катода и давления дуги на сварочную ванну

3.1. Физическая модель дуги с неплавящимся электродом в инертных газах........................................................................................................................................................89

3.2. Расчетно-экспериментальная методика построения эпюр давления дуги на сварочную ванну................................................ 100

3.3. Распределение напряженности магнитного поля вблизи катода

и давления дуги на поверхности сварочной ванны....................................114

3.4. Формирование швов при сварке неплавящимся электродом сильноточной дугой................................................................... 134

ГЛАВА 4. Исследование технологических и энергетических характеристик сварочной дуги с неплавящимся электродом

4.1. Исследование проплавляющей способности дуги и характера формирования сварных швов................................................. 152

4.2. Влияние состава защитного газа на энергетические характери-

стики дугового разряда................................................................................................................166

ГЛАВА 5. Разработка новых конструкций неплавящихся электродов и технологических процессов сварки

5.1. Новые конструкции неплавящихся электродов и их технологи-

ческие свойства.................................................................... 173

5.2. Технологические рекомендации по сварке неплавящимся электродом в инертных газах..........................................................................................................190

5.3. Опыт сварки неплавящимся электродом на металлургических предприятиях....................................................................... 196

5.4. Применение дуги с неплавящимся электродом для электродуго-

вой обработки в восстановленных наплавкой конструкциях из низколегированных сталей..................................................... 201

5.5. Решение некоторых проблем сварки конструкций из алюминия и

его сплавов........................................................................... 206

Общие выводы............................................................................. 212

Литература............................................................................................................................................216

Приложения..............................................................................................................................................238

ВВЕДЕНИЕ

Сварка неплавящимся электродом является одним из ведущих технологических процессов при изготовлении конструкций ответственного назначения из цветных металлов и сплавов, высоколегированных и высокопрочных сталей.

Она позволяет получать соединения высокого качества из сталей различных марок, в том числе высоколегированных, алюминия, титана, меди, никеля, и других цветных металлов и сплавов. Данный способ сварки позволяет надежно соединять как небольшие детали, так и крупногабаритные металлоконструкции большой толщины, не требует применения электродных покрытий и флюсов, а также последующей зачистки швов от шлака. Кроме того, существует возможность соединять трудносвариваемые металлы, производить наплавку материалов с особыми свойствами и восстанавливать изношенные детали.

Исследованиям в области дугового разряда в инертных газах, а также его взаимодействию со свариваемым материалом посвящены работы российских и зарубежных ученых А. И. Акулова, Э. А. Гладкова, В. С. Гвоздецкого, Н. Г. Дюр-герова, А. А. Ерохина, В. Н. Замкова, А. Я. Ищенко, Ю. В. Казакова, И. М. Ковалева, В. А. Косовина, И. Е. Лапина, В. И. Лысака, Л. М. Лобанова, В. А. Ленивки! ia, В. М. Неровного, С. Г. Паршина, А. В. Петрова, И. В. Пентегова, А. Г. Покляцкого, В. 77. Прилуцкого, Д. М. Рабкина, А. М. Рыбачука, А. Д Раз-мыьиляева, В. Л. Руссо, В. П. Сидорова, В. И. Столбова, В. Н. Селяненкова, И. В. Суздалева, Г. Г. Чернышова, В. М. Ямполъского, Т. W. Eagar, W. F. Savage, V. P. Kuianpaa, A. Kumar, T. DebRoy, J. F. Key, M. Tanaka, R. A. Chihoski и мн. др.

Одной из причин, сдерживающих применение аргонодуговой сварки металлов большой толщины является ее низкая производительность, ограниченная сравнительно невысокой тепловой эффективностью дуги и нарушением формирования швов (возникновением пор, подрезов, «перетяжек», наплывов и т.п.) при сварке на высоких значениях тока и скорости сварки. Последнее, по данным И. М. Ковалева, связано с чрезмерным силовым воздействием дугового

разряда на расплавленный металл сварочной ванны, квадратично возрастающим с увеличением сварочного тока. По данным Б. В. Кудоярова, В. 77. Поте-хина, В. Л. Руссо, И. В. Суздалева и др. на величину силового воздействия дуги существенное влияние оказывают также состав защитного газа и форма рабочего участка электрода. Так, применение гелия и его смесей с аргоном повышает проплавляющую способность дуги, однако данные о влиянии состава смеси на силовое воздействие дуги и формирование шва в литературе отсутствуют. Не раскрыты также механизмы влияния конструкции неплавящихся электродов на формирование швов, отсутствуют систематизированные данные о взаимосвязях условий протекания катодных процессов и состава инертной атмосферы с распределением давления дуги на сварочную ванну, характер которого, по данным А. А. Ерохина, в значительной мере определяет гидродинамические процессы в сварочной ванне.

Основными путями повышения производительности дуговой сварки являются увеличение силы тока и применение активирующих флюсов и добавок га-лоидосодержащих газов (работы В. 77. Прилуцкого, В. Н. Замкова, С. Г. Паршина и др.), обеспечивающих контрагирование дугового разряда, и, как следствие, высокую концентрацию вводимой энергии. Однако реализовать на практике первый способ, в большинстве случаев, не удается ввиду нарушения формирования швов и низкой стойкости рабочего участка неплавящегося электрода традиционной конструкции. Применение активирующих флюсов также негативно сказывается на стойкости катодов и неэффективно при токах свыше 275 А вследствие того, что пары флюса уносятся из дуги и перестают влиять на ее строение.

В работах И. М. Ковалева, А. Д. Размышляева, Г. Г. Чернышова показано, что воздействие внешнего электромагнитного поля на дугу при сварке непла-вящимся электродом позволяет улучшить формирование и качество металла сварного шва, а также повысить производительность процесса. Однако сложность дополнительного оборудования и минимизация эффекта при сварке на

высоких значениях силы тока, а также соединении ферромагнитных материалов сдерживает широкое применение данного способа.

В» литершуре~яс~полпо —__,_

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

В связи с выше изложенным, для разработки путей и средств повышения производительности и стабильности процесса сварки неплавящимся электродом необходим комплексный подход, учитывающий влияние состава защитного газа, режима горения дуги, конструкции неплавящихся электродов и конфигурации магнитного поля вблизи катодного пятна на термосиловое воздействие разряда на расплавленный металл сварочной ванны, определяющего проплавляющую способность дуги и качество формирования сварного шва.

Представленные в настоящей работе исследования проводились с привлечением трудов по проблемам сварки неплавящимся электродом Г. И. Лескова, В. С. Гвоздецкого, Д. М. Рабкина, Д. А. Дудко, Б. И. Шнайдера, А. Н. Корниенко, Д. М. Погребицкого, И. И. Зарубы, В. К. Лебедева, В. С. Мечева, Э. М. Эсибяна,

A. Я. Ищенко, А. Г. Покляцкого (ИЭС им. Е.О. Патона HAH Украины),

B. М. Ямполъского, А. И. Акулова, Э. А. Гладкова (МГТУ им. Н.Э. Баумана),

A. А. Ерохина, В. А. Букарова, И. Д. Кулагина, Н. Н. Рыкалина, Н. В. Самойленко (Институт металлургии и материалов им. А. А. Байкова РАН), В. И. Столбова,

B. П. Сидорова, Ю. В. Казакова (Тольяттинский государственный университет), В. А. Ленивкина, Н. Г. Дюргерова (Донской государственный технический университет), И. М. Ковалева (Тульский государственный технический университет), Д. Г. Быховского, W. F. Savage, S. S. Strunck, S. Кои, М. S. Tsai, V. Nishikava, I. S. Goodman, G. N. Haddad, V. P. Kuianpaa, S. Kyselica, M. Tomsic, S. Barhorst, R. A. Chihoski, J. F. Key, P. F. Mendez, T. W. Eagar, M. Tanaka и мн. др.

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета в "рамках гранта™11резйдсн^^ поддир лчтгсгл «аолс^д,-«^.:——

наук и их научных руководителей (2003 - 2004 г.г.), ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ (2005 г.).

Цель работы: повышение производительности и качества сварки непла-вящимся электродом на основе исследования взаимосвязей характеристик электромагнитного поля сварочной дуги с неплавящимся электродом и ее термосилового воздействия на свариваемый металл

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Рассмотрены и обобщены существующие теоретические представления о механизмах нарушения формирования швов при сварке неплавящимся электродом в инертных газах.

2. Экспериментально и методами математического моделирования определено влияние состава защитного газа и конструкции неплавящегося электрода на характер распределения давления дуги на сварочную ванну и топографию напряженности магнитного поля сварочного тока в зоне сварки.

3. Выявлены основные взаимосвязи энергетических и технологических характеристик дуги, а также ее физических параметров с составом защитного газа и конструкциями неплавящихся электродов.

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

5. Разработаны новые конструкции неплавящихся электродов, повышающие производительность сварки и качество формирования швов. Внедрены в промышленность новые технологические процессы сварки неплавящимся электродом в инертных газах.

Работа выполнена с применением методов физического и математического моделирования, оптической пирометрии, электронного осциллографирова-

НИМ, цифровой-

таний сварных соединений.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 238 листах машинописного текста, содержит 135 рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 283 наименования.

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

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

В третьей главе исследовано распределения давления дуги с неплавя-щимся электродом в аргоно-гелиевых смесях на поверхности сварочной ванны. Представлена методика расчетно-экспериментальной оценки эпюр давления дуги на сварочную ванну, в соответствии с которой экспериментально определяется профиль сварочной ванны, а распределение давления строится расчетными методами, учитывающими гидростатическое давление в сварочной ванне, распределение температуры в ней, силы поверхностного натяжения, магнитное поле и его взаимодействие с металлом. Разработана физическая модель дуги в инертных газах, получены взаимосвязи формы рабочего участка неплавящегося электрода, состава защитного газа и характера распределения напряженности магнитного поля тока вблизи катода с термосиловым воздействием разряда на свариваемый металл.

Четвертая глава посвящена исследованию технологических и энергетических характеристик дуги для различных конструкций неплавящихся электродов и состава защитного газа: пржвсдспта—гслпотготггг^лгхсггс—р^чо^хчл-хт^сшргхпу обеспечивающие высокую производительность и качество формирования шва.

В пятой главе по результатам исследований выработаны рекомендации по сварке неплавящимся электродом в аргоно-гелиевых смесях газов на высоких значениях тока и скорости, применение которых позволяет существенно повысить производительность процессов сварки неплавящимся электродом при высоком качестве формирования сварных швов. Описаны выполненные конструкторские и технологические разработки и приведены сведения о внедренных технологических процессах.

Научная новизна работы заключается в следующих основных положениях;

Научная новизна работы заключается в выявлении и обобщении закономерностей взаимодействия тепловых, магнитных и плазменных потоков при сварке неплавящимся электродом в инертных газах, позволяющих на основе управления катодными процессами, силовым воздействием дугового разряда на свариваемый металл и пространственной устойчивостью дуги значительно расширить технологические возможности процесса, что имеет существенное значение для теории и практики сварочного производства.

Предложена и верифицирована физическая модель сварочной дуги в инертных газах, учитывающая геометрию рабочего участка неплавящегося электрода, зависимость теплофизических свойств материалов от температуры, взаимодействие магнитного поля, создаваемым электродом, с собственным магнитным полем разряда, а также взаимосвязь этих параметров с силовым воздействием дуги на сварочную ванну.

Установлено, что конфигурация магнитных полей вокруг электрода оказывает значительное влияние на формирование столба дуги и обуславливает характер распределения давления и теплового потока дуги на сварочную ванну. Показано, что максимальное значение давления дуги зависит от напряженности

9

магнитного поля вблизи катодного пятна и его распределения в пространстве, характеризующегося крутизной нарастания кривой напряженности в плоскости сечения дуги у торца рабочего участка электрода.

Показано, что путем изменения геометрических параметров рабочего участка неплавящегося электрода можно управлять конфигурацией магнитных полей и плотностью плазменных потоков, вплоть до создания ассиметричных, благодаря чему источник тепла приобретает универсальные характеристики и может быть использован для сварки, наплавки и термообработки.

Установлено, что формирование несимметричного магнитного поля в прикатодной зоне обуславливает возникновение радиально направленных сил Лоренца, изменяющих распределение удельного теплового по