автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Ресурсосбережение контактных наконечников сварочных горелок, применяемых при механизированной сварке в углекислом газе

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Конструкции устройств для подвода тока к сварочной проволоке.

1.2. Материалы, применяемые для изготовления контактных наконечников сварочных горелок.

1.3. Способы изготовления контактных наконечников.

1.4. Анализ способов увеличения ресурса работы контактных наконечников.

1.5 Цель и задачи исследований.

Глава 2. Процессы, протекающие в контакте наконечник -сварочная проволока.

2.1. Характер и критерии износа контактного наконечника.

2.2. Характеристики электрической цепи контактный наконечник - изделие.

2.3. Тепловые процессы в контакте наконечник - сварочная проволока.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Исследование износостойкости контактных наконечников.

3.1. Методика проведения исследований контактных наконечников на механический износ.

3.2. Механическая стойкость контактных наконечников, изготовленных из различных материалов.

3.3. Влияние скорости подачи сварочной проволоки на механический износ контактных наконечников.

3.4. Влияние состояния поверхности сварочной проволоки на механический износ контактных наконечников.

3.5. Исследование стойкости контактных наконечников в процессе сварки.

У* Выводы по главе 3.

Глава 4. Влияние износа контактного наконечника на стабильность процесса сварки.

4.1. Исследование влияния износа контактного наконечника на потери электродного металла на угар и разбрызгивание.

4.2. Исследование влияния износа контактного наконечника на стабильность подачи сварочной проволоки.

4.3. Исследование влияния износа контактного наконечника на процесс возбуждения дуги.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка мероприятий по увеличению ресурса работы контактных наконечников.

5.1. Снижение набрызгивания электродного металла на поверхность контактного наконечника.

5.2. Усовершенствование механизма подачи сварочной проволоки.

5.3. Разработка способа восстановления изношенных контактных наконечников.

5.4. Классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников.

Выводы по главе 5.

Широкое использование механизированной сварки плавящимся электродом в машиностроении и необходимость дальнейшего повышения ее эффективности (увеличения производительности, улучшения качества, снижения трудоемкости и стоимости работ) повышают требования ко всем узлам сварочных аппаратов, в том числе и к деталям, применяемым в сварочных горелках.

Горелка является наиболее важным узлом сварочного аппарата. В случае сварки плавящимся электродом в горелке закрепляется устройство для направления подачи электродной проволоки в зону сварки и подвода к ней электрического тока - контактный наконечник (рисунок 1).

Конструкции контактных наконечников весьма разнообразны. В горелках для механизированной сварки в защитных газах плавящимся электродом в основном применяются цилиндрические контактные наконечники со сплошным электродопроводящим каналом. В качестве материалов для изготовления наконечников применяются медь и ее сплавы, композиционные материалы на основе меди и др., обладающие хорошей электропроводностью и износостойкостью.

Рисунок 1 - Конструкция сварочной горелки: 1 - изоляционная втулка; 2 -мундштук; 3 - контактный наконечник; 4 -газоподводящее сопло

В процессе сварки при прохождении электродной проволоки контактный наконечник быстро изнашивается, в результате чего нарушается электрический контакт с проволокой, что в свою очередь вызывает нарушение стабильности подачи проволоки, нарушение стабильности процесса сварки, увеличение потерь электродного металла на угар и разбрызгивание. Потери, вызванные изнашиванием наконечника, возрастают в 1.5-2 раза по сравнению с периодом нормальной эксплуатации, а производительность процесса сварки при этом снижается на 5 - 8%.

По данным машиностроительных предприятий эксплуатационная стойкость контактного наконечника составляет в среднем одну рабочую смену. Затраты на приобретение контактных наконечников в год составляют порядка 20 - 25 тыс. рублей на один сварочный пост.

Анализ существующих данных показал, что в настоящее время отсутствуют конкретные рекомендации по выбору материалов контактных наконечников, а также не существует мероприятий по повышению ресурса их работы.

Целью работы является: разработка мероприятий по повышению ресурса работы контактных наконечников сварочных горелок, применяемых при механизированной сварке в углекислом газе на основе теоретического анализа и экспериментальных исследований процессов, протекающих в контактной паре, износостойкости контактных наконечников и влияния износа контактных наконечников на процесс сварки.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести теоретический анализ и экспериментально исследовать процессы, протекающие в контактной паре наконечник -сварочная проволока;

2. Исследовать контактные наконечники из различных материалов на износостойкость;

3. Исследовать влияние износа контактных наконечников из различных материалов на стабильность процесса сварки;

4. Разработать устройство и мероприятия по снижению износа контактных наконечников;

5. Разработать способы восстановления работоспособности изношенных контактных наконечников.

Научная новизна работы:

-Проведен анализ тепловых процессов и экспериментально установлено распределение температур вдоль оси контактного наконечника в процессе сварки. Источниками нагрева наконечника являются: теплота сварочной дуги; теплота, выделяющаяся в контакте наконечник - сварочная проволока; теплота брызг расплавленного металла; теплота, выделяющаяся при прохождении тока через наконечник. Основное влияние оказывают теплота сварочной дуги и теплота, выделяющаяся в контакте наконечник - сварочная проволока;

-Получены эмпирические зависимости износа контактных наконечников от времени работы при различных условиях, позволяющие прогнозировать потерю массы наконечника в заданном промежутке времени. Определена эмпирическая зависимость механического износа наконечника от скорости подачи сварочной проволоки и общее уравнение зависимости износа от скорости подачи проволоки и времени работы;

-Определено влияние износа контактного наконечника на потери электродного металла, стабильность подачи сварочной проволоки и процесс зажигания дуги при механизированной сварке в С02. Установлено, что коэффициент потерь электродного металла на угар и разбрызгивание (//, в результате износа наконечника увеличивается независимо от материала наконечника. Наблюдается снижение стабильности подачи проволоки при износе контактного наконечника, а также ухудшение процесса зажигания дуги;

-Проведена классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников сварочных горелок на основе теоретических и экспериментальных исследований;

-Разработаны рекомендации по применению контактных наконечников из композиционного материала ДУКМ М70; меди М1 и меднохромоциркониевого сплава (СиСгёг) для различных режимов сварки.

Практическая ценность работы: Теоретические и экспериментальные результаты работы доведены до конкретных формул и методик. Разработаны мероприятия по увеличению ресурса работы контактных наконечников сварочных горелок. Разработан эффективный способ восстановления работоспособности изношенных контактных наконечников. Результаты работы внедрены на ОАО «Металлургмонтаж» г. Юрга (экономический эффект в ценах 2006 г. составил 7500 руб. на один сварочный пост).

Диссертационные исследования и разработки используются в учебном процессе ЮТИ ТПУ студентов специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» по курсам «Методология научных исследований», «Технология и оборудование сварки плавлением», «Научно-исследовательская работа студентов».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов, протекающих в контактной паре наконечник -сварочная проволока. Эмпирическая зависимость температуры нагрева наконечника от времени сварки при различных режимах;

2. Результаты исследований износостойкости контактных наконечников, изготовленных из различных материалов. Эмпирические зависимости износа контактных наконечников от времени работы;

3. Результаты исследования влияния износа контактного наконечника на потери электродного металла на угар и разбрызгивание, стабильность подачи электродной проволоки и процесс зажигания сварочной дуги;

4. Классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников сварочных горелок;

5. Способы увеличения ресурса работы контактных наконечников сварочных горелок.

Апробация работы. Результаты данной работы заслушивались на: 1-й Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения», Томск, сентябрь, 2002; 1Х-Й Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, апрель, 2003; Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, апрель, 2003; 11-й Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, апрель, 2004; Научно-технической конференции «Наука - Образование - Производство», посвященной 60-летию Нижнетагильского технологического института УГТУ-УПИ, Нижний Тагил, октябрь, 2004; lll-й Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза, февраль, 2005; Xl-й Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, апрель, 2005; lll-й Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, май, 2005; IV-й Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, май, 2006; Международной научнопрактической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества», Новокузнецк, май, 2006.

Материалы по теме диссертации опубликованы в журналах: «Сварочное производство», статья «Сварочные токоподводы, применяемые при автоматической и механизированной сварке плавлением», №12, 2004 г; «Сварка в Сибири», статья «Материало- и ресурсосбережение контактных наконечников, применяемых в сварочных горелках для механизированной сварки в С02», №2, 2005; «Сварка в Сибири», статья «Оценка способности защитных покрытий, применяемых при сварке в углекислом газе, к нанесению методом окунания», №1, 2006; «Сварка в Сибири», статья «Снижение набрызгивания расплавленного металла на детали сварочной горелки при механизированной сварке в С02», №1, 2006.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Сварочное производство» ЮТИ ТПУ.

Практические результаты экспериментальных исследований, полученных в диссертации, экспонировались на выставках «Машиностроение-2003» - Москва, «Россварка-2003» - Москва, Китайской Международной Ярмарке по технологии и продукции патентов. Китай, г. Далянь, 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе один патент на изобретение (РФ) и один патент на полезную модель (РФ).

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах составляет не менее 60%.

Работа состоит из пяти глав.

В первой главе рассмотрены конструкции устройств для подвода тока к сварочной проволоке и материалы, применяемые для их изготовления, проведен анализ существующих способов увеличения ресурса работы контактных наконечников сварочных горелок, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрен характер и критерии износа контактных наконечников, приведены характеристики электрической цепи контактный наконечник - изделие, описаны тепловые процессы в контакте наконечник - сварочная проволока.

Третья глава посвящена исследованию механической стойкости контактных наконечников из различных материалов, стойкости контактных наконечников в процессе сварки. Исследованию влияния скорости подачи сварочной проволоки и состояния ее поверхности на механический износ контактных наконечников.

В четвертой главе исследовано влияние износа контактных наконечников на потери электродного металла на угар и разбрызгивание, стабильность подачи сварочной проволоки и процесс зажигания дуги.

В пятой главе представлены мероприятия по увеличению ресурса работы контактных наконечников: способы снижения набрызгивания электродного металла на поверхность контактного наконечника, разработка усовершенствованного механизма подачи сварочной проволоки, разработка способа восстановления изношенных контактных наконечников. Приведена классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников. Разработаны рекомендации по применению контактных наконечников из композиционного материала ДУКМ М70; меди М1 и меднохромоциркониевого сплава (СиСгёг) для различных режимов сварки.

Основные выводы и результаты работы

1. Описано тепловое состояние наконечника в процессе сварки. Получена эмпирическая зависимость температуры нагрева контактного наконечника от времени сварки. Экспериментально установлено, что при lCB = 250А, Ufl = 26В и расходе защитного газа 700 л/ч температура точек контактного наконечника на расстоянии 5 мм от торца составляет 460-480 °С, 10 мм от торца - 370-390 °С, 15 мм от торца - 350-370 °С. Основными источниками нагрева являются сварочная дуга и теплота, выделяющаяся в контактном сопротивлении.

2. Выявлено, что наибольшей механической стойкостью обладают контактные наконечники, изготовленные из композиционного материала ДУКМ М70. После двух часов работы механический износ этих наконечников в 2 раза ниже износа наконечников из меди и в 1,5 раза ниже износа меднохромоциркониевых наконечников. При использовании подающих роликов без насечки механический износ наконечников в 15 раз ниже, чем при использовании роликов с насечкой. Использование сварочной проволоки с омедненной поверхностью уменьшает механический износ контактного наконечника в 1,5 раза, за счет более пластичного медного покрытия. Увеличение скорости подачи проволоки в 2,7 раза приводит к увеличению механического износа наконечника в 10,5 раз за два часа работы. Получены эмпирические зависимости износа контактных наконечников от времени работы при различных условиях. Определена эмпирическая зависимость механического износа наконечника от скорости подачи сварочной проволоки.

3. Установлено, что в процессе сварки наиболее износостойкими являются наконечники из композиционного материала ДУКМ М70, их износ в 1,8 раза меньше износа наконечников из меди и в 1,5 раза меньше износа меднохромоциркониевых наконечников при использовании подающих роликов с насечкой. Применение подающих роликов без насечки снижает стойкость наконечников из композиционного материала, это объясняется повышенным электроэрозионным износом, в результате ухудшения контакта с гладкой проволокой и увеличением сопротивления в контакте проволока - наконечник.

4. В результате износа контактного наконечника увеличиваются потери электродного металла на угар и разбрызгивание независимо от материала наконечника. Наименьшие потери наблюдаются при использовании контактных наконечников из меди в сочетании с омедненной сварочной проволокой и подающими роликами без насечки. Износ контактного наконечника ухудшает стабильность подачи сварочной проволоки, вследствие прихватывания ее в канале наконечника. Установлено, что износ контактного наконечника ухудшает процесс возбуждения дуги вследствие увеличения контактного сопротивления между наконечником и проволокой, а также увеличения вылета электрода;

5. Разработаны мероприятия по увеличению ресурса работы контактных наконечников, заключающиеся: в снижении набрызгивания электродного металла на поверхность наконечника путем применения термостойких защитных покрытий на основе жидкостей; в применении усовершенствованного механизма подачи сварочной проволоки, снижающего действие насечки от подающих роликов, тем самым, уменьшая износ контактного наконечника; в применении разработанного способа восстановления изношенных контактных наконечников.

6. По результатам исследований проведена классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников сварочных горелок для механизированной сварки в углекислом газе, и разработаны рекомендации по применению контактных наконечников из композиционного материала ДУКМ М70; меди М1 и меднохромоциркониевого сплава (СиСгёг).

1. Зильберштейн Б.М. Конструктивные особенности токоподводов сварочных аппаратов // Автоматическая сварка. 1979. - №3. - С.56

2. Оборудование для дуговой сварки: справочное пособие / Под ред. В.В. Смирнова. Ленинград. Энергоатомиздат, 1986. - 655с.

3. Потапьевский А.Г. Сварка в углекислом газе. М.: Машиностроение, 1984. - 80с.

4. Виноградов B.C. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки. М.: Высшая школа, 2000.-318с.

5. Мироненко A.A. Универсальный мундштук сварочных дуговых автоматов // Сварочное производство. 1969. - №1. - С.43.

6. Бобровский A.B., Крылов H.H. Усовершенствование контактного устройства для автоматической и полуавтоматической сварки//Сварочное производство. 1968. - №9. -С.39.

7. Федько В.Т., Шабакин Н.М. Контактный наконечник для сварочной горелки: Свидетельство на полезную модель №18662 РФ // Б.И. 2001. №19.

8. Лелебин О.Н. Токоподводящий наконечник для электродуговой сварки: A.C. 1698006 СССР // Б.И. 1991. №46.

9. Заявка № 0324088 (ЕПВ), кл. В23К9/28, 9/26, 19.07.89.

10. Салькова С.С., Писаренко Т.В., Сегель В.Г. и др. Токоподводящий наконечник: A.C. 1706800 СССР II Б.И. 1992. №3.

11. Красниченко Л.В., Ронский Л.М., Патулов C.B. и др. Износостойкий токоподводящий мундштук // Сварочное производство. 1975.-№11.-С.51-52.

12. Федько В.Т., Шабакин Н.М. Контактный наконечник для сварочной горелки: Свидетельство на полезную модель №18663 РФ // Б.И. 2001. №19.

13. Седых B.C., Смелянский В.Я. и др. Токоподводящий элемент: A.C. 1773626 СССР // Б.И. 1992. №41.

14. Заявка № 3-61545 (Япония), кл. В23К9/26, 20.09.91.

15. Ватага В.П., Берченко Г.В., Оксенбейн А.Я. Токоподводящее устройство для электродуговой сварки плавящимся электродом: A.C. 573282 СССР // Б.И. 1977. №35.

16. Чепяков Н.В. Мундштук к сварочным головкам и горелкам: A.C. 610626 СССР // Б.И. 1978. №22.

17. Черный О.М. Усовершенствованная конструкция токоподвода к сварочной проволоке для многократного использования сменных то ко подводящих наконечников // Сварочное производство. -2002. №3. - С.38.

18. Черный О.М. Токоподвод к сварочной проволоке при многократном использовании сменных наконечников // Сварочное производство. 1999. - №12. - С.ЗЗ.

19. Федько В.Т., Сапожков С.Б., Колмогоров Д.Е. Сварочные токоподводы, применяемые при автоматической и механизированной сварке плавлением (обзор) // Сварочное производство. 2004. №12. С.23-29.

20. Шебеко Л.П. Оборудование и технология автоматической и полуавтоматической сварки. М.: Высшая школа, 1981. -296с.

21. Заявка № 63-72483 (Япония), кл. В23К9/26, 02.04.88.

22. Чвертко А.И. Исследование износостойкости и выбор материала деталей скользящих токоподводов автоматов иполуавтоматов для дуговой сварки // Автоматическая сварка. 1975. -№1. - С.28.

23. Борисов А.Я., Виноградов С.Е., Киселев Я.Н. и др. Материал для токоподводящих наконечников: A.C. 1316773 СССР // Б.И. 1987. №22.

24. Зильберштейн Б.М., Марек Б.А., Минакова Р.В. и др. Долговечные токоподводящие наконечники сварочных головок // Автоматическая сварка. 1975. - №4. - С.60-63.

25. Заявка № 2239204 (Великобритания), кл. В23К9/12, 26.06.91.

26. Заявка № 4-18950 (Япония), кл. В23К9/26, 30.03.92.

27. Скворцов В.Ф., Арляпов А.Ю., Яшутин А.Г. Дорнование отверстий в токоподводящих наконечниках, применяемых при сварке плавящимся электродом в углекислом газе // Обработка металлов. -2003. №2. - С.24.

28. Данильченко Б.В., Дмитрик В.В., Притула С.И. Способы уменьшения забрызгивания сопл и токоподводящих мундштуков сварочных горелок // Сварочное производство. 1995. - №9. - С.22 -25.

29. Федько В.Т. Технология, теоретические основы и средства снижения трудоемкости при сварке в углекислом газе: Учебник. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. 398с.

30. Черный О.М. Токоподводящие наконечники многократного использования для сварочных горелок // Сварочное производство. -1990. №5.-С.22.

31. Бондаренко И.А. Переоборудование шланговых полуавтоматов для сварки в С02 с одновременной очисткой проволоки //Автоматическая сварка. 1967. - №5. -С.57.

32. Чубуков A.A. Сопротивление в контакте наконечник -сварочная проволока при сварке в углекислом газе // Сварочное производство. 1980. - №12. - С.31-32.

33. Бригидин В.Я. Распределение тока в контактной паре электродная проволока наконечник сварочного автомата или полуавтомата // Автоматическая сварка. - 1977. - №6. - С.21-24.

34. Ленивкин В.А., Кленов Г.Г. Распределение тока и контактного сопротивления в токоподводящем наконечнике // Сварочное производство. 1990. - №9. - С.27-29.

35. Бригидин В.Я. О работе токоподводящих наконечников при дуговой сварке // Сварочное производство. 1979. - №8. - С.20-21.

36. Колмогоров Д.Е., Федько В.Т. Температура нагрева контактного наконечника при механизированной сварке в С02 // «Материалы и технологии XXI века» Сборник статей III международной научно-технической конференции. Пенза, 2005. -313с. С 179-181.

37. Кочергин К.А. Контактная сварка. Л.: Машиностроение, 1987.-240с.

38. Элементы теории и технологии защиты поверхности от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе / Федько В.Т., Сапожков С.Б., Соколов П.Д., Ястребов А.П. // Монография. Томск: Изд-во ТГУ, 2004. 138 с.

39. Теория сварочных процессов: учеб. для вузов / Под ред. В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.

40. Ленивкин В.А., Сагиров Х.Н., Докторский Р.Я., Кленов Г.Г., Дюргеров Н.Г. Установление (возбуждение) процесса дуговой сварки плавящимся электродом // Сварочное производство. 1982. - №8. -С.9-11.

41. Колмогоров Д.Е., Зернин Е.А., Сапожков С.Б. Снижение набрызгивания расплавленного металла на детали сварочной горелки при механизированной сварке в С02 // Сварка в Сибири. 2006. №1. с. 57-58.

42. Зернин Е.А., Колмогоров Д.Е., Сапожков С.Б., Сабиров И.Р. Оценка способности защитных покрытий, применяемых при сварке в углекислом газе, к нанесению методом окунания // Сварка в Сибири. 2006. №1. с. 30-31.

43. Колмогоров Д.Е. Способы восстановления ^ работоспособности контактных наконечников сварочных горелок //

44. Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества» Трудымеждународной научно-практической конференции. СибГИУ, Новокузнецк, 2006. - Т.2. - 213с. С 92-95.

45. Федько В.Т., Колмогоров Д.Е. Материало- и ресурсосбережение контактных наконечников, применяемых в сварочных горелках для механизированной сварки в С02 // Сварка в Сибири. 2005. №2. с. 60-62.

46. Бригидин В.Я., Конотоп Д.А. Повышение долговечности токоподводящих наконечников сварочных автоматов и полуавтоматов // Автоматическая сварка. 1980. - №1. - С.67.