автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка технологии плазменной сварки алюминиевого сплава AMr5 с импульсной подачей плазмообразующих газов

804613054

УДК 621.791.755

На правах рукописи

Киселев Глеб Сергеевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АМг5 НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ С ИМПУЛЬСНОЙ ПОДАЧЕЙ ПЛАЗМООБРАЗУЮЩИХ ГАЗОВ

Специальность 05.02.10. Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НОЯ 2010

Тула 2010

004613054

Работа выполнена в ГОУ ВПО Тульском государственном университете на кафедре «Сварка, литье и технология конструкционных материалов».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ТАТАРИНОВ Евгений Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

ПОЛОСКОВ Сергей Иосифович

кандидат технических наук Трух Сергей Федорович

Ведущая организация: ООО «Криомаш-БЗКМ»

Защита состоится «25» ноября 2010 г в на заседании диссертационного совета Д 217.042.03 при Научно-производственном объединении «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» по адресу: 109088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ОАО НПО "ЦНИ-

ИТМАШ".

Автореферат разослан «-'¿-» октября 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 217.042.03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В криогенном машиностроении для изготовления элементов воздухоразделительных установок (ВРУ) - сварных сосудов и ёмкостей, технологических трубопроводов диаметром от 100 мм до 1000 мм применяются алюминиевые сплавы, из которых наибольшее распространение получил сплав АМг5. Для получения соединений элементов аппаратов и трубопроводов применяется плазменная сварка на постоянном токе обратной полярности без разделки кромок с использованием присадочной проволоки. Данный способ обеспечивает необходимую производительность процесса, удаление оксидной пленки и уменьшает степень влияния субъективного факторов на качество сварных швов. При этом для сварки элементов конструкции с толщинами до 20 мм применяется плазмообразующий и защитный газ аргон.

В последние годы в криогенном машиностроении наметилась тенденция к повышению рабочего давления в системах ВРУ до 20МПа, что в свою очередь привело к необходимости увеличения толщины свариваемых материалов до 30 мм. Сварные соединения должны обеспечивать требования по качеству сварного шва как по геометрии в поперечном и продольном сечениях, так и по сплошности шва. Помимо этого необходимо обеспечение прочностных характеристик швов и высокой технологичности процесса подготовки (сборки) под сварку.

Проанализированные кроме плазменной сварки способы сварки показывают, что получать сварные соединения, отвечающие требованиям конструкторской документации позволяют импульсные процессы.

В этой связи для решения проблемы обеспечения качества сварного соединения и повышения проплавляющей способности плазменной сварки целесообразно использовать раздельную импульсную подачу плазмообразующих газов.

Цель работы

Совершенствование процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности конструкций криогенного машиностроения путем использования моногаза или двух газов аргона и гелия с их периодически изменяемой подачей (расходом).

Методы исследования

Основные задачи работы решались аналитически с последующей экспериментальной проверкой. Функциональные связи процессов, протекающих при плазменной сварке при импульсной подаче плазмообразующих газов, определялись посредством составления и решения дифференциальных уравнений описывающих процессы. Экспериментальные исследования проводились на скорректированном по результатам аналитических исследований плазмотроне КАБ-ЗМи, для которого были определены предельно допустимые нагрузки по силе тока и расходу плазмообразующих газов. Измерение вольт-амперной характе-

ристики при импульсной подаче плазмообразующих газов производилось на специальном стенде с использованием аналого-самопишущего и регистрирующего прибора РМТ 49ДМ. Измерение температур по толщине сварного шва осуществлялось с использованием преобразователей термоэлектрических (термопар) типа ТХА (Сплав хромель и алюмель по ГОСТ Р 8.585-2001). Оптимизация режимов плазменной сварки производилось с использованием математических методов планирования экспериментов. Исследование геометрических параметров швов проводилось на макрошлифах, а анализ микроструктуры осуществлялся на микрошлифах. Для металлографических исследований применялись микроскопы МБС-9 OLYMPUS GX 51. Оценка механических свойств сварного шва производилась по стандартной методике, рекомендованной ГОСТ 6996.

Научная новизна работы

1. В результате анализа газодинамических процессов в плазмотроне носящий двустадийный характер, установлена зависимость скорости закрутки плазмообразующих газов от их подачи (расхода). На предварительной стадии скорость закрутки зависит от геометрии винтовых канавок, находящихся в корпусе плазмотрона. Окончательная скорость закрутки определяется физическими процессами в сопле плазмотрона. Было выявлено, что при раздельной подаче плазмообразующих газов в сопле плазмотрона происходит их смешение в результате взаимной диффузии. В канале сопла плазмотрона за счет термобароди-фузии осуществляется их разделение, причем гелий располагается в центре канала, а аргон на переферийной части.

2. Определена форма вольт-амперной характеристики процесса плазменной сварки в зависимости от силы тока и импульсной подачи плазмообразующих газов. Для этих целей использовались численное решение дифференциального уравнения Эленбааса-Хеллера и проведены соответствующие эксперименты.

3. Установлены механизмы формирования сварного шва, зависящие от подачи плазмообразующихся газов и определяющие геометрию сварного шва. При импульсной подаче газов механизм переноса металла является капель-но-струйным, что позволяет получить геометрическую форму шва в поперечном и продольном сечениях, соответствующих установленным требованиям.

Практическая ценность работы заключается:

1. В разработке новой модели плазмотрона КАБ-ЗМи, позволяющей осуществить раздельную одновременную подачу плазмообразующих газов, изменяя при этом состав и количество плазмообразующей смеси.

2. В получении качественного сварного шва по геометрическим параметрам и сплошности за счет импульсной подачи плазмообразующих газов.

3. В возможности обеспечения сварки алюминиевых сплавов толщинами до 30 мм за один проход с заданной геометрией шва.

4. В разработке практических рекомендаций по режимам плазменной сварки и технологии сварки конструкций криогенных аппаратов и трубопроводов и создание на этой основе опытно-промышленной установки.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Славяновские чтения» (Сварка - XXI век) (Липецк, 2009 г), на научно-техническом совете ОАО «Криогенмаш» (Балашиха, 2007 г.), на первой международная конференции «Соединение алюминиевых конструкций» (Москва, 2007 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ и 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 180 страницы машинописного текста, включая 74 рисунка и 33 таблицы. Список использованной литературы включает 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, выбраны методы исследования. Показаны теоретическая и практическая значимость работы.

Глава первая посвящена анализу проблем плазменной сварки конструкции ВРУ и формулировке на основе проведенного анализа задач исследований диссертационной работы. В криогенном машиностроении использование алюминиевых сплавов составляет 23% от общего количества применяемых материалов. Получаемые при этом изделия эксплуатируются в диапазоне температур -200...+200° С и давлениях до 20МПа, что предъявляет повышенные требования к качеству сварных соединений.

На объединении «Криогенмаш» (г. Балашиха) для изготовления конструкций из алюминиевого сплава АМг-5 толщиной до 20 мм применяется плазменная сварка на постоянном токе обратной полярности. Это связано с тем, что другие способы сварки — сварка неплавящимся электродом в среде защитного газа (TIG - процесс), сварка алюминиевой проволокой в среде защитного газа (MIG - сварка), плазменная сварка на переменном токе не позволяют получить качественные сварные швы за один проход для указанных толщин. В диссертационной работе рассматриваются способы расширения технологических возможностей плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности, которые позволяют осуществлять сварку изделий толщиной до 30 мм, обеспечивая при этом требуемое качество сварного шва. Указанные способы связаны с использованием импульсной подачи плазмообразующих газов моногаза - аргона или двух газов аргона и гелия при их раздельной подачи.

Необходимо отметить, что импульсное процессы нашли широкое применение в сварке для увеличения технологических возможностей процесса. В частности, при сварке плавящимся электродом используется пульсация тока,

позволяющая регулировать процесс переноса металла в дуговом промежутке. Применяется и импульсная подача сварочной проволоки уменьшающей разбрызгивание при сварки. Наиболее близкой к рассматриваемому в диссертации способу плазменной сварки является модернизированный способ аргонодуго-вой сварки предложенный О.М.Новиковым с коллегами. Сущность его заключается в применении пульсации раздельных потоков защитных газов - аргона и гелия направленных на периодически изменяемые характеристики дуги. Установлено, что гелий увеличивает проплавляющую способность процесса, а аргон стабилизирует дугу и проплавляет металл в хвостовой части сварочной ванны. Пульсация подачи защитных газов повышает качество сварного шва за счет создания повышенных условий всплытия неметаллических включений, пор, пузырьков газа и инородных частиц.

Существенные отличия предлагаемого в диссертационной работе способа сварки от рассмотренных импульсных методов сварки предполагают проведение аналитических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок позволяющих определить технологические характеристики процесса, разработку и подбор конструктивных элементов сварочного оборудования и внедрение на этой основе рассматриваемого процесса в производство.

Отсутствие теоретических и экспериментальных исследований о влиянии импульсной подачи плазмообразующих газов на термогазодинамику плазмотрона, на условия формирования сварочной ванны и сварного шва и технологических параметров плазменной сварки определяет следующие основные задачи диссертационной работы:

1. Исследование термогазодинамики разработанного плазмотрона с раздельной импульсной подачей плазмообразующих газов и определение расчетным и экспериментальным путем ВАХ плазменной дуги с использованием аргона и гелия.

2. Исследование условий формирования сварного шва при импульсной подаче плазмообразующих газов

3. Определение допустимых значений скорости сварки и скорости подачи сварочной проволоки при плазменной сварке

4. Исследование роли газов (Аг и Не) в бинарной смеси при плазменной сварке.

5. Разработка технологического процесса и оборудования плазменной сварки сплава АМг5 толщиной от 4 до 30 мм.

Во второй главе приводятся результаты теоретических исследований функциональных связей процессов, происходящих при плазменной сварке. В качестве основного метода исследований использовалось составление и решение дифференциальных уравнений, описывающих данные процессы. Рассматривались следующие задачи: термогазодинамика плазмотрона, тепловые процессы при сварке и процессы образования сварочной ванны и сварного шва.

В проведенных исследованиях по термогазодинамике плазмотрона в первую очередь определялась закрутка плазмообразующих газов, стабилизирующее положение плазменной дуги, и вертикальные скорости их перемещения, от

которых зависит скоростной напор плазменной струи на расплавленный свариваемый металл. Исходя из регламентированной скорости закрутки Уф=200 м/с, область закрутки в плазмотроне распределялась на зоны предварительной и окончательной закрутки.

Для скорости предварительной закрутки Уфп,определяющей геометрию винтовых канавок и расходом газа О, установлена следующая зависимость

УФП=1(Ю, где размерность Уф" в м/с, в - в л/мин.

Рис. 1 Схема камеры закрутки: I - потенциальная зона, II - зона твердого тела; 1 - камера закрутки, 2 -канал сопла, 3- анод, 4- винтовые канавки, гк - радиус камеры закрутки, г, -радиус условной границы раздела двух зон, гс— радиус сопла, Уф" - скорость предварительной закрутки газа

В камере окончательной закрутки выделяют потенциальную зону, в которой скорость закрутки определяется зависимостью

А, г1 <г<гО (1)

и зону вращения «твердого тела»

0 <г<г1 (2)

Максимальные значения скорости вертикального перемещения V, газы приобретают при ионизации в канале сопла.

При формальном сложении вертикальной скорости и скорости закрутки должно происходить искажение поля скорости газа и плазмы в виде отклонения от оси симметрии. Однако, согласно исследований М.А. Гольдштика при определенных геометрических параметров сопла и скоростях газов и плазмы деформации полей скоростей происходить не будет, и данные поля будут перемещаться вдоль оси сопла по винтовой линии. Вращение газов в камере закрутки вызывает падение давления АР, которое стабилизирует положение дуги в канале сопла и влияет на степень ионизации газов.

Полученное решение показывает, что падение давления увеличивается с ростом расхода гелия в 2,5 раза, аргона - в 4 раза, при максимальном расходе 6 л/мин.

При раздельной одновременной подаче двух газов с противозакруткой рассмотрен вопрос о смешивании газов в сопле плазмотрона. Рассчитанные согласно кинетической теории газов Энскога-Чепмена коэффициенты само- и взаимной диффузии приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Коэффициенты само- и взаимной диффузии О (м2/сек) для различных

Газ Гелий Аргон Бинарная смесь

Т=300 К 0,84-10"4 0,094-104 0,183-Ю"4

Т=600 К 2,62-Ю-4 0,32-10"4 0,57-10"4

Из данных табл.1 следует, во-первых, что происходит диффузия гелия в аргон и, во-вторых, скорость диффузии велика:

30

|/ = -^Яе- Лг Гд

3-103 —.

(5)

е с

где ё - средняя длина свободного пробега молекулы. Так как К>» V,,, то в сопле газы будут смешиваться. В свою очередь в канале сопла плазмотрона вследствие термо- и барродиффузии происходит разделение смеси на составляющие, причем более легкий гелий располагается в центре канала сопла, а аргон - по периферии.

Рис. 2 - Профили полей температур по радиусу канала сопла аргоновой и сме-

Т\к)

104[ЛГ ]

). 1 - данные, полученные расчетным путем, 2 - экспериментальные данные Ги-ерса, 3 - экспериментальные данные Когельшаца.

шанной плазмы (Не : Аг = 1 : 1) в зависимости от силы тока I (где "

Полученные результаты подтверждаются экспериментальными исследованиями Э. Крапца по структуре плазменной струи бинарной смеси в канале сопла. Таким образом, гелиевая плазма, располагаясь вдоль электрической

дуги, определяет проплавляющую способность процесса, а аргоновая плазма, подплавляя периферийную часть, определяет скорость закрутки.

Исследование проплавляющей способности плазменной струи связано с нахождением поля температур в канале сопла и вольтамперной характеристики (ВАХ) процесса. Гиерс Г. методом томпсоновского рассеяния измерил электронные температуры аргоновой и гелиевой плазм и их нижние границы (-17000 К для Не и -15000 К для Аг), а Когельшац У. определил полные профили полей газовых температур. В диссертационной работе расчетным методом по расходам газов найден профиль температур для смешанной плазмы для силы тока /„=75...250 А (рис.2). При равных расходах газов граница между гелиевой и аргоновой плазмами располагается на расстоянии 0,7 радиуса канала сопла. Таким образом, аргоновая плазма, имея меньшую температуру, предохраняет стенки канала сопла от прогорания.

Для аналитического нахождения ВАХ процесса используется нелинейное дифференциальное уравнение Эленбааса-Хеллера

аЕ+ — д,= 0 (6)

г ¿г с1г

И уравнение полного тока (закон Ома):

я

/= 2кЕ / вЫг (7)

о

где о и \ коэффициенты электро- и теплопроводности, Е - напряженность электрического поля, г - радиус канала сопла, qг - тепловой поток от излучения, 0<г<Я.

Рассчитанные значения а и I подставлялись в формулы для нахождения силы тока I, полученные в результате решения уравнения Эленбааса-Хеллера по методу Меккера:

1=жог2Е (8)

и напряженности

Е_ 2,405 1,248(5,,, - , (9)

яв е

где г- и 5> - соответственно значения радиуса и «функции теплопроводности» в токопроводящей зоне, 5,„ - текущее значение «функции теплопроводности»;

Результаты расчетов приведены на рис. 3. Обращает внимание различие по форме ВАХ для аргона и гелия: для аргона ВАХ восходящая, для гелия носит волнообразный характер. Данное обстоятельство объясняется влиянием «управляющего» параметра В. При его уменьшении ВАХ восходящая, при увеличении - падающая, что подтверждает предположение Меккера. При импульсном изменении подачи плазмообразующих газов следует ожидать синусоидального изменения напряжения и плазменной дуги при постоянной силе тока /, что следует из графиков на рис.3.

и. В Е.Всм и, В

>00000000 —1—1—1—1—1—1—1—I- 1 1.А

50 --4

у — ■

✓ ¡^ч

✓ "-V

- " _

, ГТтл

---- \ч? .-л-

а) 5 0 100 I о ;оо :«о зоо ? б) 0

Рис. 3 Вольт-амперные характеристики для аргоновой(а) и гелиевой(б) плазм.

1 - 4 - зависимости, полученные расчетным путем при С , равном 1,0, 2,0,3,0 и 4,0 л/мин соответственно

Анализ тепловых процессов проводился с учетом того, что плазменная струя вступает в контакт с анодом и стенками канала сопла, защитным газом и свариваемым металлом и присадочной проволокой. Плазменная струя на свариваемом металле образует пятно тепловвода, через которое теплота плазменной струи поступает в металл. Проплавляющая способность плазменной струи главным образом определяется энергией электрической дуги (джоулево тепло) <2<,ж и энергией конвективного теплообмена струи с металлом <2тт, определяющимися следующей зависимостью

=ч\1и + М1а(Гстр-Тт)\

Вт

где г] - КПД процесса, с1к- диаметр канала сопла; а=0,2...1,2 ——— - косм • К

эффициент конвективного теплообмена, Тстр и Т„„„ - соответственно температуры плазменной струи и поверхности металла.

Расчеты показали, что при изменении силы тока от 100 А до 400А гелиевая плазма обеспечивает подвод тепла от 1,5*10" до 4*104 Вт, а аргоновая - соответственно 0,9*10". .2,6*104 Вт. При этом плотности теплового потока колеблются для гелиевой плазмы в пределах 900...2300 Вт/см2, для аргоновой -540... 1500 Вт/см2. При снижении расхода газов значения ^уменьшаются. Результаты проведенных расчетов позволяют сделать вывод о целесообразности применения гелиевой плазмы для сварки толщин свыше 20 мм.

Расчет объемных температурных полей в свариваемом металле связан с представлением пятна тепловвода в качества источника тепла - неподвижного при формировании сварочной ванны и подвижного при формировании сварного шва. Объемное температурное поле при скорости варки Усв=0 определяется зависимостью

Т(х,у,2,т) = -Ь— ег/с-^= (1 О

2кШ 2т]ат

где Я = т[хг + у2 +г2, X и а - соответственно коэффициенты тепло и температуропроводности алюминия, ег/с - дополнительная функция ошибок Гаусса.

Изотермы плавления (Т=660°С) представляют собой параболы, причем для проплавления металла толщиной 30 мм требуется сила тока />400 А. Время проплавления определялось согласно теории регулярного теплового режима Кондратьева В.Г. и составляла порядка 40 с,

При скорости сварки Усв>0, температурные поля находятся по формуле :

Х^я+х)

где х- расстояние от переднего края сварочной воронки в направлении вектора скорости сварки Усв.

Расчеты по формуле (12) показали, что температура в нижней части сварочной воронки в 1,2 раза превосходит температуру на поверхности, что предопределяет возможность возникновения неблагоприятного режима пузырькового кипения. В результате получаем диапазон допускаемых скоростей сварки, верхние границы которого определяются величиной проплавления по координате X, а нижняя - возникновением пузырькового кипения (табл. 2).

Таблица 2.

I, А 200 300 400

Б, мм 8 10 15 20 25 30

Усв, м/ч 1,8 1,5 8 2,5 3,6 3,6

25" 1В 17 21 18,8 14,4

*- нижнее значение, **- верхнее значение

Процесс плавления присадочной проволоки осуществляется в течение 1,5...3 с и определяется конвективным теплообменом между торцом проволоки и плазменной струей через ионизированный защитный газ.

Расчеты геометрии сварочной ванны, позволили определить влияние режимов сварки на проплавляющую способность струи._

35 л

18 / 30 25 .___

16 / ^ Зо.. 1 ^^^

Зона I /Зона II 1".....

1 / / __ ——

8 15 . "" Зои III

6 - 1в

*

8 0 100 120 1-10 16« 180 20« 2 И 251 ЛИ 1.4 40« 4

Рис. 4. Зависимости глубины проплавления от силы тока.

На рис. 4 представлены графики зависимости вариантов сварки (непровар, сварка «на весу», сварка на подкладке) в зависимости от силы тока и толщины листа. При изменении расхода газов б соответственно изменяется и максимальная ширина воронки (табл.3) определяя тем самым ширину и коэффициент формы сварного шва к.

Таблица 3

Геометрические параметры сварочной воронки.

1,А 100 200 400

в, л/мин 0,5 1 2 4 1 2 3 4 1 2 3 4

ММ 6 15 30

В„ мм 7,6 10,4 18 24 14,4 16 19,2 24,6 10,4 13,8 18,2 22,6

к 1,9 2,6 4,5 6 0,8 0,89 1,1 1,36 0,33 0,43 0,59 0,71

Необходимо отметить, что при сварке больших толщин бинарной плазмой аргона в смеси должно быть не менее 30-40%, т.к. «выдавливающая» способность аргона в 10 раз превышает аналогичную способность гелия.

Формирование сварного шва происходит за счет расплавленного металла в сварочной ванне (основной и присадочный), перемещаемого изгибающимся под углом р~42° плазменной дугой в хвостовую часть сварочной ванны (рис. 5).

Экспериментально установлено, что существуют три механизма переноса присадочной проволоки при плазменной сварке: капельный, струйный и смешанный капельно-струйный.

Оказалось, что их существование зависит от расхода плазмообразу-ющих газов в, определяющего физическую сущность процесса переноса расплавленной капли металла в хвостовую часть ванны. Исследованиями С.С. Кутателадзе установлено, что в течение времени г* <0,1 с на капле под действием градиента температур Рис. 5. Расчетная схема для определе- ДТ=Тпл-Тк образуется гидродинамиче-ния параметров сварного шва. ский и тепловой пограничные слои, ак-

кумулирующие все тепло, поступающее из плазмы.

В результате капля не отдает и не принимает извне тепла. Время (время «жизни») определяется зависимостью

-Л.

где коэффициент 1,1 имеет размерность с/см2.

При капельном механизме время перемещения капли в сварочной ванне г <и капля вылетает в хвостовую часть под некоторым углом, определяемым скоростью закрутки.

В результате расчета и геометрического сложения скоростей закрутки капли и линейной скорости капли при капельном механизме угол сноса у=3... 53°, что и предопределяет увеличение ширины шва и искривление его оси симметрии по длине шва. При струйном механизме угол х=0...3°, следовательно, искривление оси симметрии и ширины шва минимально возможные.

Границы между капельным и струйным механизмами определяет расход плазмообразующего газа й и диаметры капель

В третьей главе приведен окончательный расчет плазмотрона, схема, а также конструкция экспериментальной установки и результаты экспериментальных исследований.

Разработанный плазмотрон КАБ-ЗМи(рис. 6) позволяет осуществлять раздельную одновременную импульсную подачу плазмообразующих газов. В процессе расчета определены геометрические параметры: сечение каналов плазмо-образующих газов, угол наклона винтообразных каналов, угол наклона винтовых канавок, угол конуса плазмообразующего сопла.

Экспериментальная установка состоит из плазмотрона КАБ-ЗМи с системой измерения характеристик процесса сварки, системы охлаждения, системы возбуждения дуги и системы газообеспечения с устройством импульсной подачи. Эксперименты включали ряд исследований по проверке теоретических положений, выдвинутых в главе 2.

Первоначально были определены предельные нагрузки на плазмотрон, составившие по силе тока [1св]=550 А, по суммарному расходу плазмообразую-щих газов [Сг]=12 л/мин. Сравнительные испытания используемого плазмотрона КАМА-1М и разработанного плазмотрона КАБ-ЗМи показали, что новый плазмотрон при равных силах тока и расходах газа увеличивает глубину про-плавления на 14... 18% за счет импульсной подачи газов. Экспериментально подтвердились теоретические расчеты по взаимной диффузии газов в сопле плазмотрона.

Для этих целей в плазмотрон без включения электрического питания раздельно подавались контрастно подкрашенные аргон и гелий. Визуально отмечалось, что при выходе из сопла полученная смесь газов равномерно окрашивалась в полутона исходных газов и вращалась в направлении вращения аргона. Процесс разделения бинарной плазменной струи на составляющие в канале сопла плазмотрона контролировался экспериментально посредством метода горячей титановой проволоки. Гелий и аргон давали разный окрас на защищенном участке проволоки.

а) б)

Рис. 6 Плазмотрон КАБ-ЗМи. ЗЭ модель плазмотрона (а) и фото плазмотрона в составе установки (б)

На экспериментальной установке с помощью регистратора РМТ490М были определены вольтамперные характеристики процесса (рис.7)

и, в

45,5 45 44,5 44

43,5 43 42,5

/

экспериментальные данные -г— расчетные данные

//

/

1 1 С

Л.

55 50 45 40 35 30

и, в

-е— экспериментальные

данные -К- расчетные данные

Л

_ в, л/мин 10

Рис 7. График зависимости напряжения дуги от расходов газов . а)-для аргона; б) - для гелия;

С целью определения оптимальных в отношении глубины проплавления режимов сварки использовался метод планирования эксперимента. Матрица планирования имела размерность 4x4 (X] - расход плазмообразуюицего газа, Х2 - сила тока, Х3 - частота импульсов, Х4- скорость сварки).

Приведенные графики во-первых, подтверждают расчетные данные. Во-вторых, при импульсной подаче газов имеет место пульсация напряжений.

Произведенные измерения посредством термопар температур на верхних и нижних поверхностях свариваемых листов подтвердили расчетные данные наличия температурного градиента, при этом температура на нижней поверхности (то есть внизу сварочной ванны) превосходила в 1,5 раза температуру на поверхности ванны.

Качество и геометрия сварных швов оценивались с помощью шлифов

Рис. 8 Вид шлифов при сварке по используемой ранее технологии (а) и при сварке по разработанной (б, в,г) технологии.

а)1св=220 А, Усв=15 см/мин, С)п/о=7 л/мин;

б) 1св=220 А, Усв=15 см/мин, (¡)п/о =1 л/мин; С>п/о 1 =1 ...3 л/мин

в) 1св=220 А, Усв=15 см/мин, С>п/о Аг=1 л/мин; С^п/о Не =2 л/мин г) 1св=220 А, Усв=15 см/мин, С)п/о Аг=2 л/мин; ()п/о Не =0.. .3 л/мин

Полученные в результате статистической обработки экспериментальных данных уравнение регрессии имеет вид

у = Ъ,51- 0,28л:, +1,88*2 +0,75*3 " 0,2х4 - 0,375*,*2 + 0,51*,*, +

+ 0,93*,х4 + 0,94*2*з +

+ 0,51*2*4 - 0,375*3*4 - 0,2*|*2*з " 0,29*2*з*4 +1,88*,*3*4 + ^

+ 1,21*,Х2*4

Таким образом, определяющими являются сила тока 1св и частота импульсов /, причем оптимальной является соотношении 1/1 (увеличение/спад).

Исследование микроструктуры зоны сплавления и металла шва показало наличие плотной бездефектной структуры. Исследования химического состава металла шва показало, что использование импульсной подачи газов снижает процент выгорания химических элементов. Механические свойства сварного шва оценивались испытанием на разрыв. Статистика механических испытаний сварных швов показывает, что предлагаемая технология сварки обеспечивает высокую повторяемость процесса при значениях, составляющих 0,9...0,95 от механических свойств основного металла, при уменьшении количества выпадов до 5%.

В четвертой главе проведена комплектация опытно-промышленная установки, рассмотрены особенности технологии сварки различных типов соединений, произведен анализ мер по устранению дефектов соединений и осуществлена оптимизация параметров сварки на опытно-промышленной установке на натурных образцах.

Комплектация опытно-промышленной установки включает в себя плазмотрон КАБ-ЗМи, плазмомодуль, аппарат подвесного типа, источник питания и программное обеспечение.

Плазмомодуль выполняет функции управления процессом в части газоснабжения плазмотрона, возбуждения плазменной дуги на стадии дежурной дуги и автоматического отключения дежурной дуги в момент возбуждения основной плазменной дуги, системой защиты от включения плазмотрона без подачи газов и охлаждающей жидкости.

Газоснабжение состоит из систем защитного и плазмообразующих газов. На каждой линии подачи газа располагается клапан, обеспечивающий включение и выключение согласно заложенной программе.

В едином корпусе плазмомодуля расположена система управления клапанами блока импульсной подачи плазмообразующих газов. Вторая составляющая блока импульсной подачи - двухходовой плунжерный клапан располагается непосредственно на аппарате подвесного типа. Это необходимо для уменьшения инертности процесса пульсации, которая возникает при протяженности шлангов от клапана до плазмотрона свыше 1,0 м.

Аппараты подвесного типа имеют плавную регулировку скорости перемещения по направляющим в диапазоне от 6,0 до 24,0 м/час и способны нести весовую нагрузку до 20 кг, включая кассету с проволокой. Однако, следует учитывать, что при плазменной сварке на постоянном токе обратной полярности

выделяется большое количество энергии, поэтому автоматы тракторного типа имеют дополнительную систему теплоотражения. Наиболее предпочтительнее использовать подвесные автоматы, т.к. такие автоматы перемещаются по рейкам, расположенным в достаточном удалении от места сварки и тем самым меньшая вероятность воздействия на них тепловой энергии дуги, что обеспечивает точность траектории перемещения плазмотрона относительно свариваемого стыка.

В составе автомата используется механизм подачи проволоки, обеспечивающий введение в сварочную ванну присадочного материала диаметром от 3 до 5 мм.

Источники питания для плазменной сварки толщин до 30 мм должны удовлетворять следующим требованиям:

- величина тока (1св) не менее 500 А при ПВ100%;

- напряжение холостого хода (и„) 60 В и выше;

- плавная регулировка величины тока;

- внешняя вольт-амперная характеристика (ВАХ) - падающая;

- защита источника от высокочастотного разряда;

- возможность программирования с запоминанием не менее 20 программ;

- внутренняя стабилизация питающего напряжения;

- коммутируемость с плазмомодулем.

Данным требованиям сегодня удовлетворяет большая гамма источников. Для экспериментальной установки использовались источники ТИР-300, ВД-306/400т, М\У-5000. Данные источники позволили произвести сварку образцов для оценки качества сварных соединений. Для промышленной установки был использован источник ТИР-630.

Таблица 4.

Режимы сварки конструкций._

Режимы Свариваемые толщины, мм

4* 6* 8 10* 12 14 16 18 20 22 25

сварки

I, А 100 120 150 180 200 220 250 280 300 350 400

Усв, м/час 20 18 17 16 15 14 12 10 10 8 8

Сзаш, л/мин 30 30 50 50 50 70 70 70 70 70 70

вп/о**, л/мин 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

£ Гц 1,2 1,2 1,4 1,4 1,6 1,8 1,8 1,8 1,8 2,0 1,8

* сварка на аргоне в два прохода, **суммарный расход

Технология сварки включает в себя механическую обработку стыков шарошками с целью удаления окисной пленки и соблюдения необходимого зазора в стыке в процессе сварки. Технология сварки продольных стыков карт предусматривает применение специальных стендов для сварки кольцевых стыков для сварщика предусмотрен комплекс рекомендаций. Предлагаемая технология сварки вследствие высокой теплоотдачи плазменной дуги позволяет осуще-

ствлять устранение дефектов шва без вскрытия дефектного участка. Устранению деформации сваренных изделий способствуют конструкции стендов.

Необходимость оптимизации режимов сварки связана с «эффектом массы» изделий. Оптимизация режимов осуществлялась на натурных образцах методом однофакторного варьирования. Результаты оптимизации приведены в табл.4. В настоящее время режимы таблицы 4 используются в производстве.

Таким образом, применение при плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности алюминиевых сплавов импульсной подачи плазмообразу-ющего газа, а так же использования двухкомпонентной смеси для образования столба плазмы повышает эффективность и экономичность технологии, так как позволяет увеличить проплавляемые толщины без разделки кромок с обеспечением высокого качества сварного соединения.

Общие выводы и основные результаты работы

1. Анализ процессов сварки позволил показать, что плазменная сварка является наиболее рациональным способом соединения алюминиевых сплавов, позволяя получать качественные соединения толщиной до 20 мм без разделки кромок и дополнительного подогрева. При данном способе сварке ограничения по толщинам выявлены в связи с предельными токовыми нагрузками на плазмотрон, что является предметом для рассмотрения.

2. Теоретические исследования термогазодинамики плазмотрона позволили определить кинематические параметры плазменной струи, определяющие условия формирования плазменного потока - осевую скорость и скорость закрутки в зависимости от управляющих параметров, силы тока и импульсной подачи плазмообразующих газов.

3. Осуществлен аналитический расчет вольт - амперной характеристики процесса и температурных полей в канале сопла, которые определяют энергетические характеристики процесса при импульсной подаче плазмообразующих газов. На этой основе предложена новая конструкция плазмотрона, обеспечивающая раздельную импульсную подачу плазмообразующих газов.

4. Проведено исследование тепловых процессов в свариваемом металле, что позволило определить проплавляющую способность плазменной струи.

5. Исследованы условия формирования сварного шва при импульсной подаче плазмообразующих газов с параллельным определением не провара в сварном шве, сварки «на весу» и применением проплавоформирующих устройств.

6. Определены допустимые значения скорости сварки и скорости подачи присадочной проволоки.

7. Исследован вопрос относительно функционального назначения плазмообразующих газов (аргона и гелия), что позволяет осуществлять управление процесса сварки за счет импульсной подачи газов.

8. Комплекс экспериментальных исследований на экспериментальной установке во-первых, подтвердил корректность аналитических исследований и во- вторых, позволил установить рациональные режимы сварки.

9. По результатам проведенных аналитических и экспериментальных исследований изготовлена опытно- промышленная установка для плазменной сварки изделий воздухоразделительных установок, рекомендованная к внедрению.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Опыт применения плазменных технологий в производстве криогенной техники / Киселев Г.С [и др.] Сварочное производство. 2004, №12, С.34

2. Татаринов Е.А., Киселев Г.С. Оптимизация процесса подачи присадочной проволоки при плазменной сварке алюминиевых сплавов на постоянном токе обратной полярности. Тула, ТулГУ, XXIV научная сессия, посвященная дню радио. Сборник научных статей. 2006 г., с.254

3. Татаринов Е.А., Киселев Г.С. Выбор способа сварки алюминиевых сплавов при производстве конструкций криогенного назначения. Тула, ТулГУ, XXIV научная сессия, посвященная дню радио. Сборник научных статей. 2006 г., с.250

4. Киселев Г.С., Татаринов Е.А., Маврутенков A.A. К расчетному определению ВАХ плазменного потока с использованием теории теплообмена Навье-Стокса// Славяновские чтения: Сб. науч. тр. 4-5 июня 2009 г. Кн.1 Липецк: ЛГТУ, 2009,-С. 130-135

5. Татаринов Е.А., Киселев Г.С., Маврутенков A.A. Анализ факторов, определяющих форму и размеры сварочной воронки при плазменной сварке толстостенных алюминиевых изделий// Славяновские чтения: Сб. науч. тр. 4-5 июня 2009 г. Кн. 1 Липецк: ЛГТУ, 2009,- С. 122-130

6. Татаринов Е.А., Киселев Г.С. К расчету вольт-амперной характеристики плазменной сварки при импульсной подаче аргона или гелия//Сварка и диагностика. 2009. №5. С. 11-14

7. Татаринов Е.А., Киселев Г.С., Маврутенков A.A. Плазмотроны для сварки и наплавки алюминиевых сплавов. Сборник научных и научно-методических работ кафедры «Сварка, литье и технология конструкционных материалов» Тульского государственного университета. - Тула: ТулГУ, 2009. -146 с. (стр 57-61)

8. Способ сварки плазменной дугой. Патент №2351445 (заявка 2007121870/02 от 14.06.2007)/ Бычковский С.Л, Новиков О.М., Радько Э.П., Киселев Г.С, Астахин В.И.,

9. Плазмотрон. Патент №68944 (заявка 2007131792/02 от 23.08.2007)/ Бычковский С.Л., Новиков О.М., Радько Э.П., Киселев Г.С., Астахин В.И., Зотов A.A.

Формат бумаги 60Х 84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1.2. Уч. изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Анализ способов сварки алюминиевых сплавов элементов ВРУ

1.2. Предпосылки повышения технологических возможностей плазменной сварки.

1.2.1. Применение различных газов и их смесей в процессе сварки

1.2.2. Использование импульсных процессов.

1.2.3. Определение функциональных свойств газов в бинарной плазме.

1.3. Анализ свойств и характеристик плазменной струи

1.3.1. Влияние закрутки плазмообразующего газа на свойства плазменной струи.

1.3.2. Аналитическое определение вольт-амперной характеристики плазменной струи.

1.3.3. Температурные поля в канале сопла плазмотрона.

1.4. Тепловые процессы при плазменной сварке.

1.4.1. Процесс нагревания анода.

1.4.2. Процесс нагревания защитного газа плазменной струей.

1.4.3. Процесс нагревания свариваемого металла.

1.5. Процессы формирования сварочной воронки и сварного шва.

1.5.1. Процесс формирования сварочной воронки.

1.5.2. Процесс формирования сварного шва.

Выводы по главе

Цель и задачи работы

Глава 2. Теоретические исследования процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности при различных способах подачи плазмообразующего газа

2.1. Анализ термогазодинамических процессов в плазмотроне

2.1.1 Влияние закрутки плазмообразующих газов на газодинамику плазмотрона.

2.1.2 Анализ процесса смешения газов в сопле плазмотрона.

2.1.3 Расчет вольт-амперной характеристики процесса.

2.1.4. Определение полей температур и скоростей плазмы

2.2. Расчет коэффициентов электро - теплопроводности плазмы.

2.2.1 Анализ процесса плавления присадочной проволоки.

2.2.2 Температурные поля в сварочной ванне.

2.2.3 Определение границ скорости сварки.

2.3. Определение вольт-амперной характеристики электрической дуги.

2.3.1 формирование сварочной воронки и ванны.

2.3.2. Механизм формирования сварного шва.

2.3.3 Влияние импульсной подачи плазмообразующих газов на качество шва.

Выводы по главе

Глава 3 Экспериментальные исследования процесса плазменной сварки,

3.1. Расчет и конструирование плазмотрона.

3.2. Создание экспериментальной установки.

3.3. Экспериментальные исследования параметров процесса.

3.3.1. Эксперименты по смешению и разделению плазмообразующих газов в сопле плазмотрона.

3.3.2. Сравнительные испытания плазмотронов КАМА-1М и КАБ -ЗМи.

3.3.3. Определение порогов допустимых нагрузок на плазмотрон КАБ-ЗМи

3.3.4. Определение вольт-амперной характеристики процесса.

3.3.5. Температура на нижней и верхней плоскостях свариваемых пластин.

3.3.6. Параметры сварного шва.

3.4. Оптимизация режимов плазменной сварки по отношению глубины проплавления методом планирования эксперимента.

3.4.1. Определение статистической значимости параметров сварки в импульсном режиме.

3.4.2. Оптимизация режимов сварки.

3.5. Исследование состава, свойств и структуры сварного шва.

3.5.1 Исследование микроструктуры шва.

3.5.2 Исследование химического состава шва.

3.5.3. Исследование механических свойств шва.

Выводы по главе

Глава 4. Комплектация опытно-промышленной установки и исследование особенностей плазменной сварки с импульсной подачей плазмообразующих газов в условиях производства.

4.1. Комплектация опытно-промышленной установки.

4.1.1. Функциональное назначение плазмомодуля

4.1.2. Автоматы подвесного типа

4.1.3. Источники питания плазменной дуги

4.1.4. Программное обеспечение процесса

4.2. Особенности технологии плазменной сварки в условиях производства

4.2.1 .Влияние технологических отклонений сборки стыков на стабильность процесса сварки алюминиевых конструкций

4.2.2. Особенности технологии сварки различных типов соединений

4.2.2.1. Сварка продольных стыков карт

4.2.2.2. Сварка кольцевых стыков корпусов

4,2.2.3.Сварка трубопроводов и корпусов малого диаметра

4.2.2.4.Особенности исправления дефектов в сварных швах

4.2.2.5. Меры сокращения величины деформации металлоконструкций при плазменной сварки

4.3. Оптимизация параметров плазмообразующей среды при сварке конструкций плазмотроном КАБ-ЗМи на натурных образцах

Выводы по главе

В различных отраслях промышленности нашли широкое применение воздухо-разделительные установки (ВРУ), применяющиеся для получения жидких газов из воздуха. Конструктивные элементы ВРУ (емкости, баки, трубопроводы), изготавливающиеся на предприятиях криогенного машиностроения, имеют в своей основе сварные соединения. В связи с жесткими эксплутационными требованиями (низкие температуры, повышенное давление, агрессивные среды) к качеству сварных швов предъявляются особые требования. В частности, в швах не допускается наличие пустот и инородных включений. Геометрические параметры швов в продольном и поперечном сечениях должны удовлетворять требования соответствующих стандартов. Выполнение этих требований, а также гарантии однородности фазового и химического состава материала шва, требуемых механических характеристик должно обеспечить надежность и долговечность работы данных конструктивных элементов и ВРУ в целом.

Материалами для изготовления указанных элементов конструкции служат нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, углеродистые и низколегированные стали. Алюминиевые сплавы (АМг-5, АМцС, АДО, АК и другие) обладают высокой стойкостью к химическому воздействию вследствие наличия тугоплавкой окисной пленки АЬОз и способны выдерживать температурные перепады в диапазоне -260.+200°С. Наибольшее применение в производстве изготовления ВРУ нашел АМг-5.

Учитывая, что в процентном соотношении в конструкциях имеют кольцевые и продольные швы большой протяженности, при выборе способа сварки следует учитывать возможности обеспечения механизации и автоматизации процесса сварки. В последние годы в криогенном машиностроении наметилась тенденция к повышению рабочего давления в системах ВРУ до 20 МПа, что в свою очередь привело к необходимости увеличению толщин свариваемых материалов до 30 мм.

В связи с этим выбранные способы сварки должен обеспечивать вышеуказанные требования.

Из проанализированных способов сварки алюминиевых сплавов (ручная аргонодуговая, лазер-гибрид и т.д.) не один не способен полностью выполнить требования, предъявляемые к качеству сварного шва и толщине свариваемых конструкций. В этой связи плазменная сварка, прошедшая путь от создания первых образцов оборудования во ВНИИ ЭСО (г. Ленинград) до промышленного оборудования на предприятиях химической промышленности (г. Пенза), кораблестроения (г. С.-Петербург) нашли широкое применение в криогенном машиностроении, в частности на заводе «Криогенмаш» (г. Балашиха). Из зарубежных производителей следует отметить фирмы «Ргопшб» (Австрия) ЕБАВ (Швеция), предлагающие оборудование и технологию плазменной сварки алюминиевых сплавов толщиной до 6 мм.

На заводе «Криогенмаш» до настоящего времени производилась однопроходная плазменная сварка алюминиевых сплавов толщиной до 20 мм без разделки кромок. Однако, отмеченные выше ужесточения требований к качеству сварного шва и толщинам свариваемых сплавов привело к необходимости поиска новых путей, обеспечивающих решение поставленных задач, что и предопределило цели и задачи диссертационной работы.

Целью работы является совершенствование процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности конструкций криогенного машиностроения путем использования различных плазмообразующих газов с периодически изменяемой подачей (расходом)

Разработка на этой основе конструкции промышленного плазматрона, опытно-промышленной установки и отработка технологии плазменной сварки с последующим внедрением в производство.

Выполнение поставленной цели диссертационной работы связано с расширением технологических возможностей процесса плазменной сварки, которое в свою очередь опирается на использование импульсной подачи плазмообразующего как моно газа - аргона, так и бинарного газа - аргона и гелия. В этой связи произведены теоретические исследования основного комплекса явлений, сопутствующих процессу плазменной сварки. Исследования термодинамики плазматрона позволили определить энергетический параметр процесса- вольтамперную характеристику (ВАХ) на основе конкретного решения дифференциального уравнения Эленбааса-Хеллера. Для этих целей были определены теоретические зависимости электро- и теплопроводности плазмы как от степени ее ионизации, так и от температуры. При этом была установлена зависимость напряжения плазменной дуги от расхода плазмообразующих газов. С использованием имеющихся результатов по теории плазмы определены поле температур и поле скоростей плазмы на срезе сопла плазмотрона.

Использование данных полей позволило определить проплавляющую способность данного способа сварки и на этой основе доказать возможность сварки алюминиевого сплава толщиной до 30 мм. В зависимости от силы тока определены границы сварки с непроваром, на весу и с применением проплавоформирующих устройств.

В процессе теоретических исследований тепловых процессов при формировании сварочной каверны и в сварочной ванне определены условия образования качественного сварного шва. Данные механизмы определяются условиями плавления присадочной проволоки, скоростью ее подачи, и скоростью закрутки плазмообразующих газов, в первую очередь аргона и использованию бинарной плазмы. Следовательно, импульсная подача плазмообразующих газов способствует формированию качественного шва по его геометрии.

Произведенное теоретическое определение температур по сечениям сварочной ванны позволило найти допустимые границы скоростей сварки.

В результате теоретических исследовании было обозначено функциональное назначение газов в бинарной плазме. Функция гелия связана в первую очередь с обеспечением проплавления алюминиевого сплава. Применение импульсной подачи гелия как показали дальнейшие экспериментальные исследования способствуют улучшению и качества шва, так как ликвидируются пустоты и включения. Функции аргона более разнообразны. Во-первых, аргон инициирует процесс ионизации гелия, во-вторых в канале сопла аргон располагаясь в области стенок сопла и имея меньшую чем гелий температуру, предохраняет сопло от перегрева. В третьих аргон, обладая большей, чем гелий плотностью способствует выдавливанию расплавленного алюминия и формированию сварочной воронки.

На основания теоретических исследований и имеющихся прототипа был сконструирован новый плазматрон КАБ-ЗМ, позволяющий осуществлять раздельную импульсную подачу как моногаза - аргона, так и аргона и гелия. Испытание плазмотрона на экспериментальной установке показали его преимущества по сравнению с прототипом по проплавляющейся способности, допустимой силе тока и расходу газа.

Экспериментальные исследования, проведенные на установке подтвердили теоретические разработки по определению ВАХ с импульсной подачи плазмообразуюгцихся газов, по геометрии шва. В ходе экспериментов было установлено отсутствие пор и включений в сварном шве. Методом планирования эксперимента были установлены доминирующие факторы, определяющие параметры процесса сварки и установлена их значимость.

Полученные результаты позволили спроектировать, изготовить и скомплектовать, наладить и запустить в производство опытно-промышленную установку.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ процессов сварки позволил показать, что плазменная сварка является наиболее рациональным способом соединения алюминиевых сплавов, позволяя получать качественные соединения толщиной до 20 мм без разделки кромок и дополнительного подогрева. При данном способе сварке ограничения по толщинам выявлены в связи с предельными токовыми нагрузками на плазматрон, что является предметом для рассмотрения.

2. Теоретические исследования термогазодинамики плазмотрона позволили определить кинематические параметры плазменной струи, определяющие условия формирования плазменного потока - осевую скорость и скорость закрутки в зависимости от управляющих параметров, силы тока и импульсной подачи плазмообразующих газов.

3. Осуществлен аналитический расчет вольт - амперной характеристики процесса и температурных полей в канале сопла, которые определяют энергетические характеристики процесса при импульсной подаче плазмообразующих газов. На этой основе предложена новая конструкция плазмотрона, обеспечивающая раздельную импульсную подачу плазмообразующих газов.

4. Проведено исследование тепловых процессов в свариваемом металле, что позволило определить проплавляющую способность плазменной струи.

5. Исследованы условия формирования сварного шва при импульсной подаче плазмообразующих газов с параллельным определением не провара в сварном шве, сварки «на весу» и применением проплавоформирующих устройств.

6. Определены допустимые значения скорости сварки и скорости подачи присадочной проволоки.

7. Исследован вопрос относительно функционального назначения плазмообразующих газов (аргона и гелия), что позволяет осуществлять управление процесса сварки за счет импульсной подачи газов.

8. Комплекс экспериментальных исследований на экспериментальной установке во-первых, подтвердил корректность аналитических исследований и во- вторых, позволил установить рациональные режимы сварки.

9. По результатам проведенных аналитических и экспериментальных исследований изготовлена опытно- промышленная установка для плазменной сварки изделий воздухоразделительных установок, рекомендованная к внедрению.

1. Киселев Г.С. Особенности применения сварки плавящимся электродом в среде защитных газов (MIG/MAG) в производстве криогенного оборудования //Сварочное производство. 2004, №6, с.31-32

2. Быховский Д.Г., Данилов А.И., Возможности плазменной дуги, как универсального способа сварки цветных металлов, нержавеющих и жаропрочных сталей. // Сварочное производство, 1973 г., №5, с.14-16

3. Некрасов С.А., Астахин В.И., Салкин Т.П., Бычков A.C. Применение плазменно-дуговой сварки при производстве криогенного оборудования из алюминиевых сплавов. //Сварочное производство, 1976 г., №4, с.16-17

4. Астахин В.И. и др. Плазматроны для сварки алюминия на постоянном токе. //Сварочное производство, 1976 г., №6, с.43-46

5. Астахин В.И. Плазматрон для сварки и наплавки алюминия. //Сварочное производство, 1978 г., №2, с.53-56

6. Состав электродного покрытия. A.c. № 00585024 /Сычев A.A. Камакин Н. И., Лобковская Р. М., Аксенова Н. В., 1977 г.

7. The world of digital plasma welding. //Weld+vision, Fronius, No 18, april 2007, p. 10-11

8. S. Chamov, Manufacture of mobile gasoline tanks in AlMg5 aluminium alloy at ZAO BECEMA, Russia.//Svetsaren, ESAB, vol.63 No 1 2008, p.47-50

9. Щицын Ю.Д., Щицын Ю.В., Херольд X., Вейнгард В.Плазменная сварка алюминиевых сплавов.// Сварочное производство, 2003 №5, с.

10. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением. М. Машиностроение, 1972 г., с.264.

11. Дюргеров Н. Г., Ленивкин В.А., Сагиров Х.Н. О стабильности импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом //Сварочное производство, 1966 г, №7, с. 19-22

12. Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Определение свойств дуги при импульсном процессе сварки.// Сварочное производство, 2004,№4, с. 1418

13. Ельцов A.B. Разработка методики проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н — MATH, М., 2004 г, с.147 .

14. Ищенко Ю.С., Павлов Ю.С., Гриненко В.И., Импульсная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом неповоротных стыков труб из стали Х18Н10Т// Сварочное производство, 1965 г„ №12, с. 13-15

15. Зайцев О. И. Прогнозирование параметров режима при импульсно-дуговой сварке алюминиевых сплавов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н ТулГУ, Тула. 2003 г, с. 174

16. Федько В.Т., Брунов О.Г., Соколов П.Д. Сварка с импульсной подачей сварочной проволоки, как частный случай импульсно-дуговой сварки.// Сварочное производство. 2006,№7, с.6-8

17. Брунов О.Г., Федько В.Т., Солодский С.А. Перенос электродного металла при сварке с импульсной подачей сварочной проволоки.//Сварочное произвоство, 2006,№8, с.9-14

18. Патон Б.Е., Лебедев В.А., В.Г. Пичак В.Г. Полосков С.И. Эволюция систем импульсной подачи электродной проволоки для сварки и наплавки // Сварка и диагностика. 2009. №3. с.46-51.

19. Левин Ю.Ю. Анализ эффективности использования энергии лазера при сварке / Компьютерные технологии в соединении материалов // 4-я

20. Всероссийская научно-техническая конференция (с международным участием): Сб.тез.докл. Тула: ТулГУ, 2003, с.156

21. Левин Ю.Ю. Алгоритм выбора параметров импульсной лазерной сварки на основе компьютерного моделирования.//Сварка и диагностика. 2009,№1, с.12-15

22. Островский O.E., Новиков О.М. Новый метод дуговой сварки с импульсной подачей защитных газов// Сварочное производство, 1994 г„ №11 с.10-12

23. Новиков О.М., Радько Э.П., Иванов E.H., Иванов Н.С. Разработка новой технологии дуговой сварки в защитных газах на основе применения пульсции газовых потоков и потенциалов ионизации.//Сварщик-профессионал. 2006,№6, с. 10-16

24. Арефьев K.M. Явления переноса в газе и плазме. Ленинград. Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1983, с. 109.

25. Калихман Л.Е. Элементы магнитной газодинамики. М., Атомиздат, 1964, с.423 .

26. Валис Л.А., Гусика П.Л. Свойства плазмы.//Журнал технической физики, 1961,т.31,№7,с.807-810

27. Реслер Е.Л., Сире В.Р. Механика. Сборник переводов и обзор иностранной периодической литературы, 1959, т.6, №3, с.321-326

28. Соснин H.A., Ермаков С. А. Механизация и автоматизация технологических процессов сварочного производства. С.-Петербург, Издательство СПбГПУ, 2003, с.83.

29. Соснин H.A. Технологические основы издания гибких модулей плазменной сварки, нанесения покрытий и упрочнения. Автореф.докт.дис., С.-Петербург, 1999, с.32

30. Жуков М.Ф., Коротеев A.C., Угрюмов Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск, Издательство "Наука", 1975, с.296

31. Жуков М.Ф., Смоляков В .Я., Угрюмов Б.А. Электродуговые нагревателиплазмотроны). М., "Наука", 1973, с. 23232. «Экспериментальное исследование плазматронов». Под ред. чл.-кор. АН СССР М.Ф. Жукова, Новосибирск, Наука, 1977, с.391

32. Попенко В.Г., Уланов И.М. Экспериментальное исследование влияния вихревого потока газа на электрическую дугу в продольном магнитном поле. В кн.: Вихревая термоизоляция плазмы, Новосибирск, 1979, с.85-95.

33. Мельникова Т.С., Попенко В.Г., Уланов И.М. Экспериментальное исследование стабилизированной вихрем электрической дуги в продольном магнитном поле. Изв. СОАН СССР, серия техн. Наук, №8, вып.2, 1978, с.31-38.

34. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М., Атомиздат, 1979, с.415

35. Меккер Г. О характеристиках плазменной дуги,- В кн.: Движущаяся плазма. М., ИЛ, 1961, с.438-480.

36. Г. Меккер, У Баудер. Определение переносных свойств плазмы. «Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики». Новосибирск, «Наука», 1977, с. 37-56

37. Anderson I. Inverse Problem in Are Physics.- "Phys of Fluids", 1967,19, 894 -906 p.

38. Асиновский Э.И., Кириллин A.B. В кн.: Низкотемпературная плазма. М., "Мир", 1967, с.28-36.

39. P.M. Севостьянов, М.Д. Здункевич Электрическая проводимость воздуха в диапазоне от 1000 до 20000 К. "Инж.ж.", 1965, т.№2, с.227-229.

40. H.N. Osen. Thermal and electrical properties of an argon plasma. Phys. Fluids, 1956, v.2, N6, p.344-367

41. Трубников Б.А. Теория плазмы. Учебное пособие для вузов. М. Энергоатомиздат, 1996, с.464

42. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М.,

43. Издательство иностранной литературы, 1960, с.288 .

44. Дж. Гиршфельд, Ч. Кертис, Р. Беру. Молекулярная теория газов и жидкостей. М. изд-во иностранной литературы, 1961, с.418

45. Дж. Дорцигер, Г. Капер. Математическая теории процессов переноса в газах. М.: Мир, 1976, с.388

46. Гинсбург В.Г., Гуревич A.B. Нелинейные явления в плазме, находящейся в переменном магнитном поле.//Успехи физических наук, т.70,№2, с.41-50

47. Андерсон Дж.Э. Явления переноса в термической плазме. М., "Энергия", 1972, с.151

48. Э.Н. Асиновский, Е.В. Дроханова, А.Н. Лагарьков. Экспериментальное и теоретическое исследование коэффициента теплопроводности и полного излучения плазмы азота. «Теплофизика-высоких температур», 1967, Т.5, №5, с.76-81

49. Э.И. Асиновский. Явление переноса в плазме стабилизированной дуги. «Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики». Новосибирск, «Наука», 1977, с. 57-65

50. И.А. Кринберг Расчет теплопроводности некоторых газов при температуре 1000-20000 К и атмосферном давлении. «Теплофизика высоких температур», 1965, Т.З, №4, с.121-132

51. И. Кимура. Измерение коэффициента вязкости и теплопроводности частично ионизированной аргоновой плазмы. Ракетная техника и космонавтика. 1965, №3, с.39-44

52. П.П. Кулик, И.Г. Пеневин, В.И. Хавсюк Теоретический расчет вязкости, теплопроводности и критерия Прандтля при наличии ионизации. -Теплофизика высоких температур, 1963, Т. 1, № 1, с.28-34

53. J. Uhlenbusch. Berechnunng der materialfiinktionen eines stichstoffs und Argon-plasmasaus gemessenen Bogendaten.- Zeict. Fur Physik, 1964, Bd 179, H.4, p.286-301

54. H.A. Рубцов, Н.М. Огуречников. Радиационный теплообмен в цилиндрическом столбе низкотемпературной плазмы. «Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики». Новосибирск, «Наука», 1977, с. 79-95.

55. Гиерс Г., Уленбуш Д. Диагностика стационарных дуговых разрядов по рассеянию света., В кн, «Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики.» Новосибирск, из-во «Наука», 1977, с. 176-192

56. Колонина Л.И., Урюков Б.А., Приближенный расчет ламинарной электрической дуги в цилиндрическом канале. В сборнике «Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы», Алма-Ата, изд. КазПТИ, 1970, с.64-70

57. Ерофеев В.А. Решение задач оптимизации технологии на основе компьютерного моделирования процесса сварки// Сварочное производство, 2003 г„ №7 с. 19-26

58. Scheibe M. The interactional between a strong shock waye and inhomogeneous magnetic field. D.Thesis, Dept Phys., Univ. Margland, 158, p.198.

59. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. M., Госэнергоиздат, 1954,1. С.286

60. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М. Машгиз, 1951, С.296

61. Амосов А.П., Николаев В.Е., Амосов С.П., Расчет температурного поля с учетом производительности сварки// Сварочное производство, 1993 г„ №11-12 с.20-22

62. Астахин В.И. Исследование процесса восстановления поршней из сплавов алюминия тракторных двигателей. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., 1982, с.219

63. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.:Энергоиздат,1990, с.349

64. Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях. М., Энергоатомиздат, 1989, с.230

65. Справочник машиностроителя, Т.2, М., Издательство машиностроительной литературы, 1960, с.740

66. Коновалов В.А., Бычков A.C., Астахин В.И., Мейров P.M. Плазменно-дуговая сварка криогенных трубопроводов из алюминиевых сплавов //Химическое и нефтяное машиностроение, 1977 г., №2, с.26-28

67. Ю.В. Иванов. Основы расчета и проектирования газовых горелок. М. Гостоптехиздат, 1963, 263 с.

68. Бает-Ши-И. Магнитная газодинамика и динамика плазмы. М.: "Мир", 1964, с.301

69. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., "Наука", 1973, 831стр.

70. Киселев Г.С. Исправление дефектов*алюминиевых конструкций без выборки. М, АО «Машмир», //Сварщик-профессионал, 2006, №1, С.7

71. Гольдштик М.А., Леонтьев А.К., Палеев И.И. Аэродинамика вихревой камеры. "Теплоэнергетика", 1964, №2, с.40-45.72. http ://www.welder, by/ articles/article4 .html

72. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М., Издательство иностранной литературы, 1960, с.288 .

73. Дж. Ферцигер, Г. Капер. Математическая теория процесса переноса в газах. М. Мир. 1976, с.396

74. Новиков О.М., Гудков A.B., Островский O.E., Щербаков О.Б. Дуговая сварка с импульсной подачей защитных газов// Сварочное производство, 1992 г„ №10 стр.9-12

75. A.M. Цирмин. Смешение газовых потоков при высоких температурах и больших различиях в плотности. — теоретические основы хим. технологии, 1967, т1,№4, с.392-408

76. Кранц Э. Фотографические эквиденситы вспомогательное средство для диагностики плазмы и исследования нагрева электродов. — В кн,

77. Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики.» Новосибирск, из-во «Наука», 1977, с. 267-284

78. Островский O.E., Гудков A.B., Кудряшов О.Н., Зубриенко Г.Л., Барабохин Н.С. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом крупногабаритных конструкций из" алюминиевых сплавов // Сварочное производство, 1992 г, №10 с.7-9

79. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.,"Высшая школа", 1967, с.599

80. Н. Дундр, Я. Кучера. Гидродинамическая структура турбулентной струи плазмы. В кн, «Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики.» Новосибирск, из-во «Наука», 1977, с.244-255

81. Н. Maecker Messung und Auswertung von Bogencharakteristiken. "Z. Physik", 1960, Bd 158, H.4, S 392-404.

82. Киселев Г.С., Татаринов E.A., Маврутенков A.A. К расчетному определению ВАХ плазменного потока с использованием теории теплообмена Навье-Стокса// Славяновские чтения: Сб. науч. тр. 4-5 июня 2009 г. Кн.1 Липецк: ЛГТУ, 2009. С. 130-135

83. Татаринов Е.А., Киселев Г.С. К расчету вольт-амперной характеристики плазменной сварки при мпульсной подаче аргона и гелия.//Свака.Диагностика.2009,№5, с. 11-15

84. Л. Спитцер. Физика полностью ионизированного газа. М. ИЛ, 1955, с.287

85. Э.И. Асиновский. Явление переноса в плазме стабилизированной дуги. «Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики». Новосибирск, «Наука», 1977, с. 57-65

86. Г. Эккер Теория полностью ионизированной плазмы. М.: Мир, 1974, с.432

87. Д.В. Елецкий, Л.А. Палкина, Б.М. Смиронов. Явление переноса в слабоионизированной плазме. М. Атомиздат, 1975, с. 109

88. Вулис Л.А., Гусика П.Л. "Журнал технической физики", 1961,№31, т.7, с.807-811

89. H.W. Emmons. Arc measurement of high-temperature gas transport properties. "Phys. Fluids", 1967, v, 10, N6, p.l 125-1136.

90. Г.В. Эммонс. Исследование теплообмена в плазме. Сборник «Современные проблемы теплообмена.» М., издательство «Энергия»,1966, с.84-91

91. R.S. Devoto Transport properties of ionized helium. J. Plasma Physics, 1968, v.2. N1, p.637-651

92. R.S Devoto Transport coefficient of partially ionized argon. Phys.Fluids,1967, v 10, №2, p.264-279

93. J.C. Moris, R.P Rudis, G.M. Yos. Measurements of electrical and thermal conductivity of hydrogen, nitrogen and argon at high temperatures. "Phys. Fluids", 1970, v.13 N 3, p.608-617.

94. I. Bues, H.J. Patt, J. Richter. Über die electrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Argon bei hohen Termperaturen. "Z. Angew. Phys.", 1967, Bd 22, H.4, s.364-383

95. A.E. Шейндлин, Э.И. Асиновский, B.A. Батурин, B.M. Батенин Установка для получения плазмы и изучения ее свойств. ЖТФ, 1963, т.ЗЗ, N 10, с. 1169-1172

96. Г.Ю. Даутов, М.Ф. Жуков, A.C. Смоленков и др. Особенности работы генераторов низкотемпературной плазмы с вихревой стабилизацией дуги и обобщение результатов исследований. «Низкотемпературная плазма», М., «Мир», 1967, с. 56-62.

97. Способ сварки плазменной дугой. Патент №2351445 (заявка 2007121870/02 от 14.06.2007)/ Бычковский С.Л, Новиков О.М., Радько Э.П., Киселев Г.С, Астахин В.И.,

98. К.Э. Грю, Т.Л. Иббс. Термическая диффузия в газах. М.: Гостехиздат, 1956, с.418

99. Г.Ю. Даутов. Цилиндрическая дуга в аргоне. ПМТФ, №2, 1963, с. 28-34.

100. Weber Н.Е. Constricted we column growth. Proc. 1964. Heat transfer and

101. Fluid Mechanics Institute., 1964, p.245-254

102. M. А. Гольдштик Вихревые потоки. Изд-во «Наука», Сибирское отделение, Новосибирск, 1981, с.391

103. Фролов Н.Н., Власов В.М. Газотермические износостойкие покрытия в машиностроении. М., "Машиностроение", 1992, с.255

104. Татаринов Е.А., Киселев Г.С., Маврутенков А.А. Анализ факторов, определяющих форму и размеры сварочной воронки при плазменной сварке толстостенных алюминиевых изделий. Славяновские чтения. Сб. научн. тр., кн.1, Липецк, ЛГТУ, 2009, с. 1-5

105. Судник В.А. Прогнозирование качества сварных соединений на основе численных моделей формирования шва при сварке плавлением тонкостенных конструкций// Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. Л. — 1991 г,348 с.

106. Судник В.А., Рыбаков А.С. Программное обеспечение процессов аргонодуговой сварки на базе модели формирования шва// САПР и эксперные системы в сварке. Изв. ТулГУ, Тула, 1995 г, с. 31-38

107. Рыбаков А.С. Физико-математическая модель импульсно-дуговой сварки алюминиевых сплавов. Монография под общей редакцией В.А. Судника, В.А. Фролова. Тула, ТулГУ, 2002, 160 с.

108. Андерсон Д., Таннехилл Дж, Плетчер Р Вычислительная гидромеханика и теплообмен, в 2-х т. Перевод с англ. М., Мир, 1990, 728 с.

109. Коровчинский М.В. Основы темического контакта при локальном трении новое в теории трения. М., Наука, 1966, с.98-145.

110. Щедров B.C. Температура на скользящем контакте// Трение и износ в машинах, из-во АН СССР, т. 10, 1965, с. 155-296

111. Ling F.F. Surface mechanics, JoHn Wiley. Sons, New York. 1973, 296 p.

112. A.B. Николаев, И.Д. Кулагин. Дуговая плазменная горелка и ее применение. Вопросы электротехники, 1960, вып 9, серия 1, с. 12-14.

113. Букаров В.А., Ищенко Ю.С., Лашакова В.Г. Влияние конвекции металла в сварочной ванне на проплавление// Сварочное производство, 1978 г„ №11 стр.4-7

114. Петров Н.П. Гидродинамическая теория смазки. М., Издательство АН СССР, 1948, 587 стр.

115. Саати Т.А. Элементы теории массового обслуживания и её приложения. М., "Советское радио", 1969, с.376

116. Кокс Д., Смит У. Теория очередей. М., Издательство "Мир", 1969, с.211

117. Колмогоров А.Н. Основные понятия теории вероятностей. 2-ое издание. М„ "Наука", 1974, с.448

118. Гребер Г., Эрк С. ,Григуль У. Основы учения о теплообмене. М., "Иностранная литература", 1958, с.566

119. Канцельсон Б.Д., Тимофеева Ф.А. Исследование конвективного теплообмена между частицами и потоком в нестационарных условиях. ТрЦКТН, кн. 12, 1949, с.112

120. Букаров В.А., Ермаков С.С. Механизм образования капли и ее перенос в ванну при дуговой сварке// Сварочное производство, 1993 г„ №11-12 с.20-22

121. Яныпин Б.И. Истечение вязкой жидкости через кольцевые и прямоугольные щели. М., Машгиз "Гидромашиностроение"№5,1979,с.78-91

122. Попов К.Н. Статистические исследования клапанов для жидкостей различной вязкости, М., Издательство МВТУ, 1949, с. 186

123. Плазматрон. Патент №68944 (заявка 2007131792/02 от 23.08.2007)/ Бычковский С.Л, Новиков О.М., Радько Э.П., Киселев Г.С, Астахин В.И., Зотов A.A.