автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка многофункциональной установки для обработки алюминиевых сплавов трехфазной дугой в условиях монтажа и ремонта

на правах рукописи

pre од

- з йиз г%0

Моторин Константин Васильевич

РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ТРЕХФАЗНОЙ ДУГОЙ В УСЛОВИЯХ РЕМОНТА И МОНТАЖА

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Тольятти 2000

Работа выполнена в Тольяпчшском политехническом институте

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Короткова Г.М.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Цепенев P.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Задворнев Г.А.

кандидат технических наук, доцент Туищев А.И.

Ведущая организация: ОАО «Куйбышевазот» г.Тольятти

У п ■ ■■'/ * ^

Защита диссертации состоится Х- Vи*» 2000г в 1 'Л

на заседании диссертационного совета К 064.43.01 по присуждению

ученой степени кандидата технических наук при Тольяттинском

политехническом институте по адресу: 445667, г. Тольятти, ГСП,

ул. Белорусская 14.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке института.

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу.

Автореферат разослан «gffi» 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., доцент

А.Ю. Краснопевцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В металлоконструкциях из алюминия и его сплавов, которые нашли и находят широкое применение в самых различных отраслях народного хозяйства, со временем в процессе эксплуатации возникают различного рода дефекты, устраняемые на основе использования ремонтной технологии.

Анализ дефектов, возникающих в деталях и узлах из сплавов алюминия, применяемых в оборудовании пищевой и химической промышленности, в автомобилях и в других транспортных средствах, показывает, что во многих случаях при устранении дефектов основными технологическими операциями являются сварка, наплавка, подогрев и резка. Для выполнения этих операций ремонтные подразделения имеют, как правило, несколько различных единиц основного и вспомогательного оборудования. Каждая единица оборудования, имея малый коэффициент загрузки, требуя определенную производственную площадь и трудозатраты на обеспечение работоспособного состояния оборудования, увеличивает общие затраты на выполнение ремонтных работ. То же самое можно сказать и о производстве монтажных работ при выполнении неразъемных соединений.

Уменьшение капитальных затрат на приобретаемое оборудование, уменьшение затрат на его эксплуатацию без ущерба номенклатуры, качества и объема выполняемых операций - задача актуальная в любой экономической ситуации.

Одним из путей решения такой задачи применительно к ремонтно -восстановительным и монтажным работам, использующим в качестве рабочего «инструмента» сварочную дугу, является возможность объединения в одной технологической установке функций различных единиц оборудования. Эта возможность и обуславливает актуальность темы диссертационной работы.

Наибольшими технологическими возможностями для совмещения функций, является источник питания, предназначенный для сварки трехфазной дугой, обеспечивающий более концентрированное тепловложение.

Использование одной установки для обработки алюминиевых сплавов свободной и сжатой трехфазной дугой затруднено из-за нарушения равенства гоков в зависимых дугах при сжатой трехфазной дуге, что приводит к лшжению устойчивости горения дуги, а следовательно, к снижению качества. Цель работы. Снижение эксплуатационных затрат при обработке злюминиевых сплавов трехфазной дугой в условиях ремонта и монтажа путем 1Спользования одной установки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Исследовать условия устойчивости системы «источник - дуга» при сварке алюминиевых сплавов свободной и сжатой трехфазной дугой от одной установки.

2. Исследовать влияние параметров конструкции сварочного трансформатора на его характеристики при выполнении нескольких функций.

3. Разработать многофункциональную установку и технологические рекомендации по обработке алюминиевых сплавов свободной и сжатой трехфазной дугой с использованием этой установки.

Методы исследований.

В работе использованы известные методы оценки устойчивости системы «источник-дуга» по статическим вольтамперным характеристикам дуги и внешним характеристикам источника питания. Для определения стабильности горения трехфазной свободной и сжатой дуги проведены осциллографичекие исследования динамических характеристик дуг с помощью шлейфовых и лучевых осциллографов, при этом использовалась оригинальная графоаналитическая методика количественной оценки фазных токов в факеле трехфазной дуги. Расчет и выбор оптимальной конструкции сварочного трансформатора проводился с использованием аналитических методов отыскания компромисных решений при нескольких показателях эффективности с применением вычислительной техники.

Для сравнительной оценки качества сварных швов проводились металлографические исследования и механические испытания на статическое растяжение по известным методикам. Научная новизна.

1. Выявлены технические возможности и определены условия совмещения нескольких технологических функций в одной установке.

2. Установлено влияние размеров и формы катушек трансформатора на величину индуктивного сопротивления и характер внешней вольтамперной характеристики сварочного трансформатора.

3. Определена необходимая величина индуктивного сопротивления трехфазного трансформатора для выравнивания токов в электродах при несимметричной схеме питания.

4. Установлены условия устойчивого горения трехфазной сжатой дуги при устранении перекоса токов в электродах за счет создания трансформатора с асимметричным индуктивным сопротивлением в цепях электродов.

Практическая ценность.

Многофункциональная установка снижает себестоимость ремонтных работ за счет сокращения количества применяемого сварочного оборудования.

Определен способ регулирования сварочного тока и формирования вольтамперной характеристики трансформатора за счет изменения геометрических размеров обмоток.

Разработанная конструкция многофункциональной установки прошла стендовые испытания и подготовлена к серийному выпуску. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Требования к многофункциональной установке предназначенной для обработки алюминиевых сплавов в условиях ремонта и монтажа.

2. Конструкция многофункциональной установки, обеспечивающая равенство токов в зависимых дугах для свободной и сжатой трехфазной дуги при сварке, резке, наплавке.

3. Влияние формы катушек трансформатора на величину индуктивного сопротивления.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях.

III Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов, г. Тольятти, 1986г.

Всесоюзная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии», г.Иваново, 1987г.

Всесоюзная конференция «Проблемы создания ресурсосберегающих технологий сварочного производства для предприятий Дальнего Востока и Сибири», г. Комсомольске - на - Амуре, 1988г.

IV Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов, г. Мариуполь, 1990г.

Источник питания экспонировался на Международной выставке в г. Киеве 1985 г, на ВДНХ в г. Москве 1986г, на Всесоюзной выставке в г. Тольятти 1986г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 7 авторских свидетельств и патентов России. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 175 страниц, в том числе 70 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 60 наименований. В приложении представлены акты внедрения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулирована цель работы. Отмечена новизна полученных результатов, их

научная и практическая ценность, сформулированы положения, вынесенные на защиту.

В первой главе, по исследованиям Д.М. Рабкина, A.A. Алова, А.Я. Бродского, Г.Д. Никифорова, К.В. Багрянского, C.B. Лашко, B.JI. Руссо, А.Я. Ищенко и многих других изучены технологические процессы получения сварных соединений из алюминиевых сплавов, качество которых обеспечивает работоспособность высоконагруженных конструкций в сложных условиях эксплуатации. Проведен обзор литературы и конструкций из алюминия и его сплавов, применяемых в различных отраслях промышленности.

Рассмотрены виды дефектов, возникающих при эксплуатации различных металлоконструкций: емкостей, трубопроводов химической и пищевой промышленностей, деталей легковых и грузовых автомобилей и сельскохозяйственной техники.

Сварочные работы в ремонтных и монтажных условиях отличаются рядом особенностей, которые существенно осложняют их выполнение по сравнению с заводскими условиями. К таким особенностям относится сварка на открытом воздухе, при повышенной влажности и перепадах температуры, сварка в труднодоступных местах и необходимость работы во всех пространственных положениях с частыми переходами от одного пространственного положения к другому, большое разнообразие коротких швов и видов сварных соединений в различных по форме и размерам конструкциях. Сварка коротких швов связана с частыми возбуждениями дуги.

Выявлены основные технологические операции, выполняемые при ремонте и монтаже, рассмотрены их особенности с учетом свойств обрабатываемых сплавов. Основными операциями при ремонте и монтаже являются: сварка, резка, подогрев, наплавка. Для этого необходимо иметь несколько единиц сварочного и вспомогательного оборудования. Экономичнее различные операции выполнять от одной установки.

Проведен обзор источников тепла применяемых для обработки алюминиевых сплавов и дана оценка энергетической эффективности процессов обработки применяемых при ремонте и монтаже. Показана целесообразность использования трехфазной дуги как источника тепла с высокой концентрацией тепловой мощности.

Исследованиями Г.П. Михайлова, К.В. Любавского, В.И. Столбова,

В.П. Сидорова и других доказано, что трехфазная дуга как источник тепла обладает рядом положительных качеств, по сравнению с однофазной дугой. Трехфазная дуга отличается высокой устойчивостью горения и более высокой, по сравнению с однофазной, производительностью процесса, за счет повышения проплавляющей способности дуги. При сварке трехфазной дугой имеется возможность в широких пределах регулировать характер тепловложения за счет перераспределения мощности путем изменения

соотношения тока в детали и токов в электродах, изменения положения электродов относительно стыка. При расположении электродов друг за другом вдоль стыка достигается большая глубина проплавления. Широкие швы с малой глубиной проплавления получаются при расположении электродов поперек стыка.

Косвенная трехфазная дуга используется для предварительного подогрева, при этом подогреваемая деталь отключается от установки.

Для разделки кромок изделий малых и средних толщин в условиях монтажа и ремонта используют сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитных газов. Для разделки кромок изделий толщиной более (6 - 8) мм требуется сжатая дуга. В условиях монтажа и ремонта сжатую трехфазную дугу можно использовать для среза кромок с хорошим качеством, не требующим дополнительной обработки перед сваркой.

На монтаже применяются серийные и специализированные установки, горелки, автоматы и полуавтоматы. Количество оборудования, находящегося в эксплуатации, в настоящее время возросло и продолжает увеличиваться, т.к. обслуживание различных технологических операций требует отдельных установок для выполнения каждой операции. Все это оборудование имеет большую суммарную стоимость, занимает большие производственные площади, в то время как загрузка каждой единицы оборудования в отдельности небольшая. Известно, что продолжительность нагрузки (ПН) у источников питания для сварки в производстве в среднем не превышает 37%, в то время как расчетная ПН составляет 60-65%, т.е. установки работают не с полной загрузкой. Поэтому целесообразно снизить количество оборудования на ремонтных участках, за счет расширения функций, выполняемых одной установкой. Показаны пути снижения эксплуатационных затрат при ремонтных и монтажных работах с алюминиевыми сплавами.

Проведенный анализ сварочного оборудования показал, что за основу для многофункциональной установки может быть выбрана конструкция установки типа УДГТ, предназначенной для сварки свободной трехфазной дугой, разработанной в Тольяттинском политехническом институте. На основе анализа сформулированы задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе проведено исследование устойчивости энергетической системы «источник - дуга» при сварке свободной и сжатой трехфазной дугой от одной установки. Одним из необходимых условий обеспечения устойчивости системы «источник - дуга» является пересечение внешней вольтамперной характеристики установки и статической характеристики свободной или сжатой дуги.

Известно, что при сварке трехфазной дугой горение двух дуг между электродами и изделием \V-A1 неодинаково из-за различных условий

возбуждения и горения каждой из них. Неравные условия приводят к различию сопротивлений в зависимых дугах на 7... 12 %, что проявляется в неравенстве токов в электродах при симметричном трехфазном напряжении питания. Неравенство токов в электродах оказывает влияние на проплавляющую способность дуги.

Для определения влияния перекоса токов на величину проплава проведена сварка опытных образцов из сплава АМг, толщиной от 2 до 10 мм; при скорости сварки Уев = 8,3* 10"3 м/с. Электроды располагались друг за другом. Сварка осуществлялась от трехфазного источника питания с асимметрией токов в зависимых дугах до 20% и от источника питания с симметричными токами, т.е. с неравенством менее 3%. Асимметрия токов устранялась путем увеличения индуктивного сопротивления, за счет подключения дополнительных витков в катушке фазы В, имеющей при асимметрии больший ток.

Установлено, что при наличии перекоса токов площадь проплава снижается на 24-28% (рис.1), а нагрев плазмотрона при этом возрастает. При перекосе токов в фазах возрастает напряжение повторных зажиганий в зависимых дугах, что свидетельствует об ухудшении условий их горения. Неравенство токов и напряжений в зависимых дугах изменяет положение точек устойчивого равновесия системы, полученных при пересечении статических вольтамперных характеристик дуги и внешних характеристик установки, за счет смещения их на пологий участок внешних характеристик (рис.2). Для устранения перекоса токов в зависимых дугах необходимо в сварочном трансформаторе создать различные индуктивные сопротивления в фазах. Для определения величины индуктивного сопротивления, требовалось провести дополнительные исследования.

Для оценки стабильности горения элементарных дуг трехфазного свободного и сжатого факела определена величина фазных токов, для чего исследованы динамические характеристики линейных токов и фазных напряжений (рис.3). Это позволяет оценить стабильность горения по показателям, присущим однофазной дуге переменного тока.

Для выяснения ■ причины, снижающей стабильность горения сжатой трехфазной дуги, были сняты осциллограммы токов и напряжений с симметричным и асимметричными токами в зависимых дугах.

Полученные характеристики свободной и сжатой трехфазных дуг позволяют сделать вывод, что для осуществления сварки этими способами можно использовать один источник питания с падающей внешней характеристикой, обеспечивающей устойчивость как каждой элементарной дуги в отдельности, так и системы «источник-дуга» в целом.

На основании экспериментальных данных, полученных при осциллографировании, определена проводимость трехфазной свободной и

8

5

Н

3

2

У

О

- с асимметриеи токов

- без асимметрии токов

•ГО

л -ь

С,м. /¿7 *

Рис. 1. Изменение площади проплава

О 30 60 90 120 150 180

Ток 1.А

Рис.2 Вольтамперные характеристики

источника питания 9

а)

л У" Т, у-С у* ' " " / \

ч ^

б)

Рис.3. Динамические характеристика токов и напряжений при сварке трехфазной свободной (а) и сжатой (б) дугами.

2.0

<и э

X

а>

э 2

а>

0

1

(О

э

Е *

¿Е

о о. о Е о

а о е-

0

1

1.5

1.0

0.5

\

• •

0.5 1.0 1.5 2.0 Коэффициент Кф-к.

Рис.4. Зависимость хт от Кф к

сжатой дуг, которая свидетельствует о высокой стабильности трехфазной дуги при устранении перекоса токов. Условие устойчивости системы «источник — дуга» выполняется при разработке сварочного трансформатора с падающей характеристикой, приемлемой для свободной и сжатой дуги.

В третьей главе приведены методы расчета индуктивного сопротивления сварочного трансформатора, изложенные в работах Патона Б.Е., Лебедева В.К., Тихомирова П.М., Петрова Г.Н., Васютинского С.Б. для шихтованных прямоугольных магнитопроводов, и методы расчета для ленточных кольцевых магнитопроводов, разработанные в Тольяттинском политехническом институте.

Для совмещения функций сварки и резки от одного трансформатора с использованием свободной и сжатой трехфазной дуги, наиболее предпочтительным является применение сварочного трансформатора с кольцевым магнитопроводом. Витой магнитопровод исключает стыки, что снижает потери в стали ДРгс и улучшает энергетические характеристики трансформатора.

Производительность изготовления ленточных магнитопроводов значительно повышается за счет возможности автоматизации процесса намотки сердечника. Разработано и использовано устройство для одновременной намотки двух сердечников.

Экспериментальные исследования показали, что диапазоны регулирования тока в электродах при сварке свободной и сжатой дугами отличаются между собой. При сварке и резке сжатой трехфазной дугой минимальные и максимальные значения диапазона регулирования тока уменьшаются. При совмещении функций необходимо учитывать диапазоны изменения тока для сварки и резки, а также сварки сжатой дугой, что требует увеличения диапазона регулирования тока. Это связано с расширением диапазона изменения индуктивного сопротивления трансформатора. С целью увеличения диапазона регулирования индуктивного сопротивления, создана и изготовлена специальная конструкция трансформатора. За счет выполнения катушек в виде усеченного конуса удалось расширить диапазон регулирования тока.

Для компенсации неравенства токов в электродах предложено кольцевой трансформатор для многофункциональной установки выполнять из двух полуколец с различным индуктивным сопротивлением его обмоток.

Влияние формы катушек на энергетические и эксплуатационные характеристики трансформатора определено при исследовании разработанных изготовленных конструкций трансформатора с дисковой, квадратной и 1рямоугольной формой катушек.

Исследования показали, что технические характеристики трансформатора с конусной формой катушек, полученные экспериментально, имеют расхождение с расчетными данными. Расхождение значений индуктивного сопротивления составляет 17...24 %, что приводит к отклонению от расчетной величины тока сварки. Отклонение экспериментальных данных от расчетных связано с тем, что индуктивное сопротивление трансформатора зависит не только от геометрических размеров, но и от формы катушек.

Для расчета индуктивного сопротивления новой конструкции трансформатора в формулу введен поправочный коэффициент, который определен экспериментально и учитывает геометрические размеры конусной формы катушек.

Проведен расчет и изготовлена серия трансформаторов для сварки трехфазной дугой с коэффициентом формы катушек Кф К равным: 0.8, 1,5, 2. Проведенные исследования показали, что при увеличении К,|)к, индуктивное сопротивление трансформатора уменьшается (рис.4). Таким образом, Изменяя геометрию катушек можно изменять индуктивное сопротивление, а следовательно и ток сварки.

В результате работы создана конструкция трансформатора, в которой вторичные обмотки предлагается выполнять из трех частей: одной основной и двух дополнительных. Подключая ту или иную дополнительную часть, можно получать различные или одинаковые индуктивные сопротивления в фазах трансформатора, что позволяет использовать один трансформатор для работы в режимах свободной и сжатой дуги.

Для выбора оптимальной конструкции трансформатора рассчитано большое количество вариантов конструкций. Оптимизация параметров конструкции трансформатора проводилась по трем критериям: величине сварочного тока, геометрическим размерам и весу трансформатора. Выбор оптимальной конструкции трансформатора проведен с использованием ЭВМ. При выборе оптимальной конструкции трансформатора учтены такие показатели, как кратность регулирования тока сварки и способ его регулирования, наклон вольтамперной характеристики и вес трансформатора.

В четвертой главе разработаны узлы и блоки управления для многофункциональной установки, применяемой при ремонте и монтаже. Определены требования к установке.

Основными требованиями к многофункциональной установке являются: крутизна наклона вольтамперной характеристики установки не менее 0,8 В/А, диапазон регулирования сварочного тока 60 - 300А, при изменении индуктивного сопротивления от 0,2 Ом до 1,1 Ом, величина напряжения холостого хода 70В и 140В, соотношение из/Цп. менее 1,5 обеспечивающее стабильное повторное возбуждение дуги, синусоидальная форма линейных токов ¡ = Imax sin cot и угол сдвига между токами а ав = 60° - 120°, а вс = 120° -150°.

Разработана электрическая схема силовой цепи установки для различных операций: сварки трехфазной свободной дугой, сварки и резки трехфазной сжатой дугой (рис.5).

По результатам работы создана конструкция многофункциональной установки, соответствующая сформулированным требованиям.

Основу установки составляет универсальный сварочный трансформатор кольцевого типа. Для обеспечения минимальной площади занимаемой установкой трансформатор установлен вертикально. Две первичные обмотки закреплены диаметрально противоположно относительно корпуса установки. Кольцевой магнитопровод с закрепленными на нем вторичными обмотками, вращается вокруг горизонтально расположенной оси, проходящей через центральный сердечник кольцевого магнитопровода. Окна первичных обмоток позволяют свободно перемещаться в них магнитопроводу

Для того чтобы обеспечить работу системы в зоне устойчивого равновесия при сварке сжатой дугой необходимо в точке пересечения характеристик увеличить наклон вольтамперной характеристики трансформатора. Разработанная конструкция трансформатора за счет подключения дополнительной части вторичной обмотки и увеличения напряжения ТЛхх до 140В позволяет увеличить магнитные потоки рассеяния, за счет чего увеличить наклон вольтамперной характеристики трансформатора. Кроме этого, при сварке сжатой дугой необходимо выровнять токи в фазах подключенных к электродам, для чего в конструкции трансформатора предусмотрен вывод для изменения числа витков в первичной обмотке фазы В.

Различие технологических процессов требует оснащения установки горелкой для сварки свободной трехфазной дугой и плазмотроном для сварки и резки трехфазной сжатой дугой.

При разработке двухэлектродного плазмотрона проведены исследования температуры нагрева плазмотрона и возможность применения в нем медных вставок. Срок службы вставки становится меньше срока службы самого сопла тоэтому, при сварке сжатой дугой, по сравнению с резкой сжатой дугой, лредпочтительно применять сопла без вставок. Цельные конструкции сопел -шеют лучшие условия охлаждения, как выходного канала, так и нижней части ;опла. Исследования, проведенные при сварке сжатой трехфазной дугой с 1ельным соплом, показали, что работоспособность сопла возрастает, а для регулирования тепловложения, необходимо иметь набор сопел с разным щаметром выходного канала.

Выполнение нескольких технологических операций от одной установки с орелкой со сменными соплами, значительно снижает затраты на оборудование, на занимаемую производственную площадь.

Разработана многофункциональная установка с повышенным оэффициентом загрузки. Установка позволяет в условиях ремонта

производить вырезку дефектного участка или его разделку с использованием сжатой трехфазной дуги. При сварке больших толщин установка позволяет производить разделку кромок сжатой дугой с хорошим качеством и без дополнительной механической подготовки, а при необходимости осуществлять предварительный подогрев косвенной дугой. От этой установки производится заварка дефектного участка свободной или сжатой дугой.

В пятой главе приведены результаты стендовых испытаний, в том числе технологических. Подробно описана методика проведения технологических испытаний.

По заказам нескольких организаций Агропрома, химической и пищевой промышленности, таких как «Росагропроект», АО «Куйбышевазот» была спроектирована и изготовлена серия многофункциональных установок типа УДГТ. Проведены электрические испытания экспериментальной установки в соответствии с ГОСТ 3484 - 77 на различных режимах работы.

Проведена ручная и автоматическая сварка свободной и сжатой трехфазной дугой опытных образцов на весу и на подкладке, а так же резка сжатой трехфазной дугой. При сварке опытных образцов выявлены параметры режима, оказывающие наибольшее влияние на качественное формирование шва. Исследовано влияние диаметра сопла, расхода плазмообразующего газа, угла наклона горелки к поверхности изделия, расстояния от среза сопла до изделия.

Проведенные металлографические исследования и испытания на статическое растяжение позволили определить ориентировочные режимы для всех видов обработки алюминиевых сплавов от многофункциональной установки. Показаны результаты внедрения установок в химической и пищевой промышленности и ремонтных предприятиях агропромышленного комплекса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Исследованы условия устойчивости системы «источник — дуга» при сварке алюминиевых сплавов свободной и сжатой трехфазной дугой и выявлены технические возможности совмещения технологических функций в одной установке.

2. Исследовано влияние параметров конструкции сварочного трансформатора на его характеристики при выполнении нескольких функций и установлены размеры и форма катушек трансформатора, определяющие величину индуктивного сопротивления и характер внешней вольтамперной характеристики сварочного трансформатора.

3. Установлены условия устойчивого горения трехфазной сжатой дуги при устранении перекоса токов в электродах за счет создания

трансформатора с асимметричным индуктивным сопротивлением в цепях электродов. " « *

4. Определена необходимая величина индуктивного сопротивления трехфазного трансформатора для выравнивания токов в электродах при симметричной схеме питания.

5. Предложена уточненная формула расчета индуктивного сопротивления трансформатора с кольцевым магнитопроводом и конусной формой обмоток.

6. Разработаны технологические требования к многофункциональной установке, предназначенной для обработки алюминиевых сплавов в условиях ремонта и монтажа.

7. Разработана конструкция трехфазного трансформатора для многофункциональной установки с различным индуктивным сопротивлением в фазах электродов.

8. Применение многофункциональной установки при ремонтных и монтажных работах снижает эксплуатационные затраты, повышает коэффициент загрузки оборудования и позволяет осуществлять резку и сварку с качеством, удовлетворяющим требованиям, предъявленным к сварным швам из алюминиевых сплавов.

Основные публикации по теме диссертации:

1.Короткова Г.М., Шаповалов В.А., Моторин К.В., Пузырева В.А., Статические фазные вольтамперные характеристики трехфазной дуги. - Деп. 30.04.85г.,

№69, ЭТ 85.

2. A.C. 1334198 (СССР). Н 01 F 31/06. Трансформатор для сварки./ Короткова Г.М., Моторин К.В., Шаповалов В.А., Столбов В.И.- Опубл. в Б.И. №32, 1987.

3. Короткова Г.М., Моторин К.В., Шакола А.Е. Постоянная составляющая в сварочной цепи. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Иваново, 3-5 июня 1987. - С.62.

4. Шаповалов В.А., Короткова Г.М., Моторин К.В. Снижение потерь холостого хода сварочного трансформатора. - Проблемы создания ресурсосберегающих технологий сварочного производства для предприятий Дальнего Востока и Сибири: Тез. докл. Всесоюзной конф., Комсомольск- на- Амуре, 1988. - С. 72.

/

5. A.C. 1403119 (СССР). H 01 F 31/06. Трансформатор для сварки. / Короткова Г.М., Моторин К.В., Шаповалов В.А. - Опубл. в Б.И. №22,

6. Короткова Г.М., Шаповалов В.А., Моторин К.В. Повторные возбуждения элементарных дуг трехфазного факела. - Сварочное производство, 1989. -X« 7, С. 37-38

7. A.C. 1515215 (СССР).Н 01 F 41/02. Устройство для изготовления трансформаторов с ленточным сердечником./ Шакола А.Е., Столбов В.И., Шаповалов В.А., Моторин К.В., Короткова Г.М., Хрисанова Г.В.- Опубл. в Б.И. №38, 1989.

8. A.C. 1570157(СССР).В 23К9/16. Двухэлектродный плазмотрон. / Моторин К.В., Столбов В.И. 1990.

9. Короткова Г.М., Моторин К.В. Проводимость трехфазной дуги. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов. Мариуполь. 1990. -С.12.

10. Короткова Г.М., Моторин К.В. Электрическая проводимость трехфазной дуги - Автоматическая сварка, 1991. - № 6. - С. 38-39.

11. A.C. 1744743 (СССР).Н 01 R4/48. 11/16. Контактный токоподвод. / Столбов В.И., Моторин К.В., Моторкин A.C. - Опубл. в Б.И. № 24, 1992.

12. Патент № 2137576 (Россия).В 23 К 9/06. Устройство для возбуждения сварочной дуги./ Казаков Ю.В., Корягин К.Б., Моторин К.В.- Опубл. в Б.И,

№26, 1999.

1988.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СПОСОБОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ МОНТАЖА И РЕМОНТА.

1.1. Специфика технологий обработки алюминиевых сплавов в условиях монтажа и ремонта.

1.2. Качественный анализ эффективности способов обработки алюминиевых сплавов.

1.3'. Особенности оборудования для обработки алюминия и его сплавов при монтаже и ремонте.

1.4. Задачи исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИК - ДУГА И СТАБИЛЬНОСТИ ГОРЕНИЯ СВОБОДНОЙ И СЖАТОЙ ТРЕХФАЗНОЙ ДУГ.

2.1. Условия устойчивости работы системы источник - дуга при несимметричной схеме.

2.2. Трехфазная дуга как инструмент обработки металлов.

2.3. Исследование энергетических характеристик дуг.

2.4. Исследование повторных возбуждений элементарных дуг свободного и сжатого факела.

2.5. Исследование проводимости свободной и сжатой трехфазных дуг.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ

СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ НЕСКОЛЬКИХ ФУНКЦИЙ.

3.1. Исследование влияния геометрических размеров катушек на индуктивное сопротивление трансформатора.

3.2. Выбор оптимальных параметров конструкции трансформатора для сварки и резки трехфазной дугой.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ДЛЯ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

4.1. Разработка и проектирование многофункционального источника питания.

4.1.1. Многофункциональный трехфазный сварочный трансформатор.

4.1.2. Регуляторы тока.

4.1.3. Постоянная составляющая тока в многофункциональном источнике питания.

4.1.4. Конструкции источников питания.

4.2. Разработка универсального двухэлектродного плазмотрона.

4.3. Электрические испытания установки для обработки алюминиевых сплавов трехфазной дугой.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

5.1. Методика проведения технологических исследований.

5.2. Ручная и автоматическая сварка свободной трехфазной дугой.

5.3. Ручная и автоматическая сварка трехфазной сжатой дугой.

5.4. Резка трехфазной сжатой дугой.

5.5. Промышленное применение.

5.5Л. Технико - экономические показатели.

5.6. Выводы.

Алюминий и его сплавы в качестве конструкционных материалов широко применяются благодаря малому удельному весу, высокой удельной прочности и коррозионной стойкости, хорошей обрабатываемости. В настоящее время сплавы алюминия используются при производстве летательных аппаратов, в судостроении, химическом и пищевом машиностроении, строительстве, транспорте и других отраслях промышленности постоянно вытесняют сплавы железа. По прогнозам [1,2] потребление алюминия будет опережать по темпам железо и другие металлы.

В Поволжском регионе широко используются алюминиевые конструкции в таких отраслях народного хозяйства, как химическая, судостроение и пищевая.

В современных условиях производства наблюдается увеличение единичной мощности оборудования и интенсификация производственных процессов, что приводит к преждевременному их разрушению при эксплуатации и увеличивает объем ремонтных работ.

Химические аппараты из алюминиевых сплавов подвержены коррозионному разрушению. При выходе корпуса аппарата из строя их ремонт осуществляется на месте эксплуатации. Локально разрушенная коррозией внутренняя поверхность емкостей, подвергается восстановлению наплавкой. Пораженные участки трубопроводов вырезаются, а на их место ввариваются новые вставки труб.

Ремонту подвергаются технологические трубопроводы и емкости для хранения и переработки химических веществ и пищевых продуктов. Разрушение технологического трубопровода хотя бы на одном участке ведет к прекращению перекачки продукта, остановке производственного процесса, сокращению съема продукции, а во многих случаях и к пожарной опасности.

Под действием различных кислот коррозии подвержены и резервуары для хранения химических веществ. Коррозии подвергаются резервуары для брожения и хранения пива в пищевой промышленности.

В современных конструкциях легковых и грузовых автомобилей используются детали и узлы из алюминиевых сплавов. При эксплуатации на них воздействуют ударные и знакопеременные нагрузки. Двигатели машин, тракторов, комбайнов подвержены переменному температурному режиму. Эти условия работы приводят к образованию трещин и разрушению таких деталей, как головки блока цилиндров, поддона картера, корпуса масленого насоса, кожуха маховика и других. Часто экономически выгодно, восстановить работоспособность узлов, за счет заварки трещин или замены разрушенных участков деталей.

Применяемые металлоконструкции из алюминия и его сплавов со временем подвергаются износу и требуют ремонта. Анализ дефектов возникающих в деталях автомобилей, в пищевом и химическом производстве показывает, что основными операциями применяемыми при ремонте являются: сварка, наплавка, подогрев и резка. В ремонтных цехах и участках для выполнения этих операций необходимо иметь несколько различных единиц сварочного и вспомогательного оборудования, которые имеют большую стоимость и занимают большую площадь, при малой загрузке каждой единицы оборудования по времени. Необходимость периодического чередования операций выдвигает задачу создания универсального оборудования для ремонта. Поэтому разработка такого оборудования для ремонта и монтажа, в современных условиях, является актуальной.

Несмотря на экономический спад в стране, алюминий и его сплавы в перечисленных отраслях народного хозяйства широко применяются. Исследования Д.М. Рабкина, A.A. Алова, А.Я. Бродского, Г.Д. Никифорова, К.В.

Багрянского, C.B. Лашко, В.JI. Руссо, А.Я. Ищенко и многих других дали возможность получать сварные соединения из алюминиевых сплавов, качество которых обеспечивает работоспособность высоконагруженных конструкций в сложных условиях эксплуатации. В последнее время созданы и успешно применяются в производственных условиях новые технологические процессы и оборудование для плазменной, микроплазменной, импульсно-дуговой, кон-тактно-стыковойи других методов сварки. Каждый из них предназначен для металлов определенного диапазона толщин и видов соединения. Непрерывно совершенствуется оборудование и технология новых процессов сварки.

В Тольятти иском политехническом институте ведется научное направление по термической обработке алюминиевых сплавов трехфазной дугой. Исследованиями Г.П. Михайлова, К.В. Любавского, В.И. Столбова, В.П.Сидорова и других доказано, что трехфазная дуга обладает рядом положительных качеств, как сварочный источник тепла. Применение неплавящих-ся электродов позволило с большей эффективностью использовать трехфазную дугу для аргонодуговой сварки, обеспечив наибольшую производительность и лучшее качество сварки. Наибольшими технологическими возможностями для совмещения функций, является источник питания предназначенный для сварки трехфазной дугой, обеспечивающий более концентрированное те-пловложение.

В настоящее время возросли требования к сокращению сроков ремонта конструкции, увеличению межремонтных циклов, что связано с экономией материальных ресурсов. Эффективность ремонта может быть повышена путем увеличения производительности труда и повышения качества работ, за счет использования специальных технологий и оборудования, в которых учитываются особенности ремонтных работ. В связи с этим возникает задача создания универсального оборудования для сварки и резки, что снизит количество оборудования в ремонтных цехах за счет возможности выполнения различных 7 технологических операций одним источником питания. Основной операцией остается сварочная, а способ резки следует основывать на выбранном способе сварки и осуществлять на одном оборудовании.

Цель работы -снижение эксплуатационных затрат при обработке алюминиевых сплавов трехфазной дугой в условиях ремонта и монтажа путем использования одной установки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Исследованы условия устойчивости системы «источник - дуга» при сварке алюминиевых сплавов свободной и сжатой трехфазной дугой и выявлены технические возможности совмещения технологических функций в одной установке.

2. Исследовано влияние параметров конструкции сварочного трансформатора на его характеристики при выполнении нескольких функций и установлены размеры и форма катушек трансформатора, определяющие величину индуктивного сопротивления и характер внешней вольтамперной характеристики сварочного трансформатора.

3. Установлены условия устойчивого горения трехфазной сжатой дуги при устранении перекоса токов в электродах за счет создания трансформатора с асимметричным индуктивным сопротивлением в цепях электродов.

4. Определена необходимая величина индуктивного сопротивления трехфазного трансформатора для выравнивания токов в электродах при симметричной схеме питания.

5. Предложена уточненная формула расчета индуктивного сопротивления трансформатора с кольцевым магнитопроводом и конусной формой обмоток.

6. Разработаны технологические требования к многофункциональной установке, предназначенной для обработки алюминиевых сплавов в условиях ремонта и монтажа.

7. Разработана конструкция трехфазного трансформатора для многофункциональной установки с различным индуктивным сопротивлением в фазах электродов.

169

8. Применение многофункциональной установки при ремонтных и монтажных работах снижает эксплуатационные затраты, повышает коэффициент загрузки оборудования и позволяет осуществлять резку и сварку с качеством, удовлетворяющим требованиям, предъявленным к сварным швам из алюминиевых сплавов.

1. Алюминий. Пер. с анг. А.Т. Туманова, Ф.И. Квасова, И.Н.Фринляндера. М. :Металургия, 1972, 664 с.

2. Белов А. Земные нужды крылатого металла. Известия, 1982, 5янв.

3. Столбов В.И., Масаков В.В., Мишугин Г.П. Уменьшение деформаций при сварке кольцевых швов тонкостенных оболочек из титановых сплавов. -Технология производства сварных и паяных конструкций. Выпуск2. Саратов, 1975, С.51 54.

4. Рабкин Д.М., Игнатов В.Г., и др. Дуговая сварка алюминия и его сплавов. М.: Машиностроение, 1982, 95 с.

5. Газоэлектрическая сварка алюминиевых сплавов. Под ред. Киселева С.Н., Хаванова В.А. и др. М. : Машиностроение, 1972, 260 с.

6. Сидоров В.П. Исследование и разработка процесса плазменной резки алюминия трехфазной дугой. Дис. канд. техн. наук,- М.,1980, 198 с.

7. Столбов В.И., Сидоров В.П., Кузнецов Г.Д., Олейник A.B., Сварка алюминиевых сплавов после плазменной резки. Сб. Технология производства сварных и паяных конструкций, вып.4, Куйбышев, 1976, С. 51-58.

8. Справочник сварщика. Под. ред. Степанова В.В.- М.: Машиностроение, 1982, 560 с.

9. Малаховский В.А. Плазменная сварка. М.: Высшая школа,1987,. 80 с.10 . Быховский Д.Г. Плазменная резка. Л.: Машиностроение, 1970, 168 с.

10. Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. Л.: Машиностроение, 1987, 192 с.

11. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М.: Машиностроение, 1970, 334 с.

12. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги. М.: Высшая школа, 1982, 182 с.

13. Столбов В.И., Сидоров В.П. Исследование устойчивости повторного возбуждения сжатой дуги. Автоматическая сварка, 1979, - № 3, - С. 11-12,18.

14. Столбов В.И. Исследование и разработка процесса сварки алюминиевых сплавов трехфазной дугой. Дис. канд. техн. наук, М.:1964, 142 с.

15. Столбов В.И. Сварка и резка алюминиевых сплавов трехфазной дугой. Дис. докт. техн. наук, - М. 1983, 348с.

16. Столбов В.И. Загоруйко Б.Г. Оборудование для аргонодуговой сварки неплавящимися электродами алюминиевых сплавов, В кн.: Совершенствование технологических процессов и инструментов в машиностроение, Куйбышев: 1970,- С. 147-159.

17. Рабинович И.Я., Вавуло И.В. Графоаналитический метод расчета трехфазной сварочной цепи. Автоматическая сварка, 1972, №4,- С. 20-23.

18. Сидоров В. П. Научные основы проектирования технологических процессов и оборудования для обработки алюминиевых сплавов трехфазной сжатой дугой. Дис. докт. техн. наук. -Тольятти, 1999.

19. Вагин Г.Я. Режимы электросварочных машин М., Энергоатомиздат. 1985, 192с.

20. Шаповалов В.А. Разработка источника питания трехфазной дуги, обеспечивающего повышение качества сварных соединений из алюминиевых сплавов. Дис. канд. техн. наук,- М.,1986, 207 с.

21. Цепенев P.A., Короткова Г.М., Столбов В.И. Моделирование трехфазной дуги. Сварочное производство, 1984. №5 - С. 40-41.

22. Цепенев P.A., Короткова Г.М., Шаповалов В.А. Определение фазных токов факела трехфазной дуги. ВИНИТИ, "Депонированные научные работы", 1984. № 5 - С. 128.

23. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М: Машиностроение, 1966, 360 с.

24. А.С. 792306 (СССР). Н 01 F 31/06. Трансформатор для сварки./ Столбов В.И., Короткова Г.М., Шаповалов В.А.

25. А.С. 1403119 (СССР). Н 01 F 31/06. Трансформатор для сварки./

26. Короткова Г.М., Моторин К.В., Шаповалов В.А. Опубл., в Б.И. №22, 1988.

27. А.С. 1334198 (СССР). Н 01 F 31/06. Трансформатор для сварки. /

28. Короткова Г.М., Моторин К.В., Шаповалов В.А., Столбов В.И,- Опубл., в Б.И. №32,1987.

29. Столбов В.И., Печенкина В.А., Масаков В.В. Заварка дефектов алюминиевого литья трехфазной дугой. Сварочное производство, 1978, №10, - С. 19-20.

30. Хренов К.К. Электрическая дуга. М. Машгиз, 1949, 204 с.

31. Походня И.К., Горпелюк В.Н., и др. Методика определения стабильности дуги переменного тока. - Автоматическая сварка, 1975, №12, С. 16 - 18.

32. Короткова Г.М., Шаповалов В.А., Моторин К.В., Пузырева В.А., Статические фазные вольтамперные характеристики трехфазной дуги. Деп. 30.04.85г., № 69, ЭТ 85.

33. Тиходеев Г.М. Энергетические свойства электрической сварочной дуги. М,- Л.: АН СССР, 1961, 354с.

34. Троицкий В.А. Влияние параметров электрической цепи на повторное возбуждение дуги переменного тока. Автоматическая сварка, 1975, № 11, -С. 6-11.

35. Троицкий В.А., Шигаев Е.Г. Критерий устойчивости горения дуги переменного тока. Автоматическая сварка, 1982, № 11, - С. 21-23.

36. Лесков Г.И., Лугин В.П. и др. Начальные участки динамических характеристик сварочных дуг. Автоматическая сварка, 1971, № 3,- С. 9.

37. Короткова Г.М., Шаповалов В.А., Моторин К.В. Повторные возбуждения элементарных дуг трехфазного факела. Сварочное производство, 1989, № 7, - С. 37-38.

38. Арнольд В.И. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1984, 272 с.

39. Короткова Г.М., Кпышевич Ю.В. Динамические характеристики дуги переменного тока. ВИНИТИ, 24.10.82. № 31037, 82, ДЕП.

40. Короткова Г.М., Моторин К.В. Электрическая проводимость трехфазной дуги. Автоматическая сварка. 1991, №6, - С. 38-39.

41. Петров Г.Н. Электрические машины. М., Энергия, 1974.4.1, 240 с.

42. Шаповалов В.А., Короткова Г.М. К расчету сварочного трансформатора с кольцевым магнитопроводом. Автоматическая сварка. 1986, №10, - С. 25-27.

43. Калантаров П.Л., Цейтлин JI.A. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Л.: Энергоиздат, 1986, 487 с.

44. Диксон Дж. Проектирование систем. М.: Мир. 1969, 440с.

45. Окунев Ю.Б., ПлотниковВ.Г. Принципы системного подхода к проектированию в технике связи. -М.: Связь. 1976, 184с.

46. Теория выбора и принятия решений. Под ред. И.М. Макарова Т.М. Виноградской и др. М.: Наука, 1982, 328с.

47. A.C. 1515215 (СССР). Н 01 F 41/02. Устройство для изготовления трансформаторов с ленточным сердечником./ Шакола А.Е., Столбов В.И., Шаповалов В.А., Моторин К.В., Короткова Г.М., Хрисанова Г.В.- Опубл., в Б.И. №38, 1989.

48. Патент № 2137576 (Россия).В 23К 9/06. Устройство для возбуждения сварочной дуги./ Казаков Ю.В., Корягин К.Б., Моторин К.В. Опубл., в Б.И. № 26, 1999.

49. A.C. 660797 (СССР). В 23 К 9/16. Двухэлектродная горелка для дуговой сварки неплавящимися электродами в защитных газах. /Осянкин Г.В., Сидоров В.П., Столбов В.И. и др. Опубл., в Б.И. №17, 1979.

50. A.C. 1734129. (СССР) H 01 H 19/40. Пакетный переключатель./

51. Банов М.Д., Лосев Н.В., Моторин К.В., Седыкин Е.Я. Опубл., в Б.И, №18, 1992.

52. Бродский А.Я. Выпрямление тока аргона дуговой сварки. Автогенное дело, 1952, № 1, - С. 10-14.

53. A.C. 1744743 (СССР). HOIR 4/48. Контактный токоподвод. / Столбов В.И., Моторин К.В., Моторкин A.C. Опубл., в Б,И, № 24, 1992.

54. A.C. 1570157 (СССР). В 23 К 9/16. Двухэлектродный плазмотрон. / Моторин К.В., Столбов. В.И.

55. Столбов В.И., Короткова Г.М., Сидоров В.П., и др. Отчет о научно исследовательской работе. «Исследование и разработка установки для сварки и резки алюминиевых сплавов» - Тольятти, 1989, 147с.

56. Установка для сварки трехфазной дугой в защитных газах. УДГТ -315. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

57. ГОСТ 14806 80. Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

58. Короткова Г.М., Моторин К.В., Шакола А.Е. Постоянная составляющая в сварочной цепи. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново, 3 -5 июня 1987,-С. 62.

59. Короткова Г.М„ Моторин К.В. Проводимость трехфазной дуги. Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов, Мариуполь 1990, С.12.