автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Теория и практика использования электролитных процессов в сварочном производстве

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВ Сергей Викторинович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05. 03. 06 - Технология и машины

сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Липецк -1998

Работа выполнена на кафедре сварочного производсп Липецкого государственного технического университет

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники Р<3

член-корреспондент РИА, доктор технических наук, профессор Б. Н. БАДЬЯНОВ,

академик С-Пб. инженерной академии, доктор технических наук, профессор В. В. БАШЕНКО,

доктор технических наук, профессор Л. С. КИРЕЕВ.

Ведущее предприятие: Воронежское акционерное

Защита состоится 9 апреля 1998 г. в 1400 час. в ауд. К-601 на заседании диссертационного совета Д 064.22.01 Липецкого государственного технического университета.

Ваши отзывы, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 398055, г. Липецк, ул. Московская, д. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического университета.

Автореферат разослан " " ргХ^&иЛ 1998 г.

Ученый секретарь

самолетостроительное общество

диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время являются важными и перспективными вопросы внедрения новых технологий, улучшения качества свар-шх и паяных соединений, повышения производительности труда в сово-супности с механизацией и автоматизацией производства при возможно меньших материальных и иных затратах и минимальном воздействии на жружающую среду.

Представляется вполне закономерным, что многие новые, обладаю-цие определенными достоинствами технологии развиваются на стыке со->тветствующих и подходящих друг к другу процессов.

Среди тепловых источников известен способ нагрева токопроводящих (атериалов и, в частности, металлов в электролите, обладающий рядом реимуществ перед другими.

Для него характерны следующие параметры и особенности:

- высокие скорости нагрева, достигающие 500...700 °С/с,

- наличие вокруг нагреваемой детали парогазовой оболочки, состоящей преимущественно из водорода,

- электроэрозионное воздействие микроразрядов

(до 6000...8000 1/см2 с) на обрабатываемую поверхность,

- высокий градиент электрического потенциала у поверхности катода, достигающий 105 В/см,

- протекание кавитационных процессов в прикатодной области,

- высокая температура газовой оболочки вокруг катода, примерно

равная 7000...9000 «С,

- наличие эффекта очистки поверхности обрабатываемой детали,

- простота регулирования скорости нагрева и некоторых других пара-

метров процесса изменением приложенного к рабочему узлу напряжения.

Тем не менее, этот обладающий рядом достоинств процесс практич ски не нашел применения в сварочных технологиях из-за первоначальш ориентации электролитных технологий на операции нагрева, термообр ботки и очистки.

В последние годы наметилась тенденция перевода некоторых про* водств с крупных предприятий на мелкие (другой формы собственности переход на гибкое мелкосерийное изготовление сварных и паяных узле В этих условиях относительно несложные и недорогие электролитные уст новки, обладающие достаточно высокой универсальностью производ тельностью и автоматизацией, обеспечивающие хорошее качество по; чаемой продукции, могут сыграть положительную роль.

Вместе с тем, анализ литературных источников выявил наличие суп ственных теоретических противоречий и пробелов в исследованиях проц са нагрева в электролите и сопутствующей ему очистки поверхности ка' да. Немногочисленны или совсем отсутствуют сведения о влиянии техно] гических параметров процесса на нагрев и очистку применительно к па! и сварке, наводороживание обрабатываемого металла. Нами не обнару: но исследований по растеканию припоев при нагреве в электролите и подъему в капилляре.

Цель работы. Исследование процесса и разработка теоретичеа и практических основ использования электролитных технологий в свар ном производстве.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертаци ной работы, включающие результаты расчетных и экспериментальных следований, практические рекомендации и технические разработки.

1. Расчетно-теоретическое обоснование квазиравновесности газо^ рядной плазмы в прикатодной области при нагреве в электролите.

2. Методики исследования некоторых параметров процесса нагрева электролите с точки зрения его применения к сварочным технологиям.

3. Результаты экспериментальных исследований по влиянию технологических параметров процесса на нагрев и очистку поверхности катода.

4. Эффект аномального течения процесса нагрева в электролите при малых глубинах погружения катода в электролит.

5. Впервые проведенные исследования растекания припоев по сталям и их затеканию в капилляр при электролитном нагреве в сравнении с другими способами нагрева.

6. Результаты экспериментальных исследований по наводороживанию "варочной проволоки при ее очистке в электролите и динамике выхода водорода из нее.

7. Теоретическое обобщение и результаты экспериментальных исследований по определению возможностей применения процессов очистки л нагрева в электролите в сварочных технологиях.

8. Новые технические решения, позволяющие расширить ряд технологических возможностей сварки и пайки, повысить качество и производительность этих процессов, уменьшить затраты при изготовлении сварных I паяных изделий при мелкосерийном производстве.

Методы исследований. Теоретический анализ основных факторов »лектролитного процесса, определяющих его необходимое течение и пригодность для сварочных технологий, проводился на основе современных 7редставлений теории сварочных процессов, теории дуговых разрядов, фи-1ики, химии, металлургии и смежных наук.

Наряду с классическими методами исследований применен ряд ориги-{альных методик. К ним можно отнести специально разработанные уста-ювку и технологию киносъемки прикатодной области для определения ее олщины в зависимости от ряда факторов, устройства для отбора проб га-а из прикатодной области, установки для исследования влияния техноло-ических параметров процесса на нагрев и очистку катода.

При обработке результатов исследований использовалась современная вычислительная техника, широко распространенные проверенные методики, стандартные статистические программы.

Научная новизна основных результатов, полученных автором в ход« решения поставленной проблемы, проявилась в следующих научных достижениях и разработках:

- впервые исследованы особенности нагрева катода в электролит« и очистки его поверхности с точки зрения применения процесса в свароч ных технологиях, определены его основные характеристики и место в ряд; источников теплоты;

- расчетным путем установлено, что время достижения равновесия п< различным параметрам в парогазовом слое около катода значительн( меньше (на 4...5 порядков) времени существования одиночного разряда следовательно, состояние газоразрядной плазмы в парогазовом слое окол< катода можно считать квазиравновесным;

- установлено, что прикатодная область состоит преимущественно и водорода, а также может содержать до 20% водяного пара. Эти компонент ты, будучи в ионизированном состоянии вследствие высокой температур1 в прикатодной области, обеспечивают защиту поверхности катода от окш ления. Давления газов в прикатодной области достаточно для эффектш ной защиты катода от атмосферного воздуха;

- выявлена аномалия процесса нагрева в электролите при малых пг бинах погружения детали в электролит, проявляющаяся в резком снижени ее скорости нагрева и температуры, вплоть до срыва процесса;

- установлено, что основным фактором, оказывающим сильное во действие на скорость нагрева и температуру образца, является рабочее н; пряжение, которое и следует использовать в качестве регулирующего пар метра. Определены допуски на точность поддержания отдельных параме ров процесса для обеспечения требуемых пределов в отклонениях по скор ста нагрева и конечной температуре детали для различных операций;

- предложена характеристика "массоплощадь" детали, оказывающая существенное влияние на скорость нагрева и конечную температуру детали, определены соответствующие зависимости, позволяющие упростить выбор режимов нагрева деталей и узлов различного типа;

- установлено, что в процессе обработки металла в электролите имеет место наводороживание его поверхностного слоя с последующим выходом водорода в течение определенного времени в атмосферу. Это следует учитывать в соответствующих технологиях и при использовании сварочной проволоки, прошедшей очистку в электролите;

- установлено, что растекание оловянно-свинцовых припоев и припоев на основе меди по низко- и среднеуглеродистым сталям при нагреве в элек-гролите находится примерно на одном уровне с растекаемостью при нагре-зе в печи, газовым пламенем и ТВЧ. При пайке в электролите инструментальных сталей, сталей типа 65Г, 5ХВ2С и подобных имеет место достаточно хорошее смачивание их припоями на основе меди;

- определено, что затекание припоев в зазор при нагреве в электролите «сколько хуже, чем при нагреве другими способами, однако является достаточным для проведения качественной пайки широкой группы сталей;

- на основании экспериментальных исследований и теоретического юобщения определена возможность применения электролитных техноло-ий в сварочном производстве. Процесс нагрева в электролите для свароч-шх технологий является универсальным, позволяющим на одном и том же >борудовании с минимальными переналадками производить очистку дета-1ей, пайку, пайкосварку, стыковую сварку, удаление грата, термообработ-;у. Электролитная технология занимает промежуточное место между руч-1ым газовым нагревом мелких серий деталей и полуавтоматическим изго-овлением крупных серий узлов высокоэффективными способами нагрева например, ТВЧ, в печах и т.п.). Установки для сварки и пайки в электро-ите преимущественно изделий стержневого типа предназначены для экс-шуатации в условиях небольших заводов, отдельных цехов, ремонтных частков, механических мастерских.

Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях теории сварочных процессов, физически обоснованной постановке и корректности решения поставленных задач сопоставлении их результатов с экспериментальными исследованиям!: и данными других авторов, внедрением в промышленности.

Практическая ценность. Экспериментальное исследование процессг нагрева и очистки в электролите и полученные теоретические данные яви лись основой для следующих практических результатов:

- разработан расчетно-аналитический метод и построены номограм мы, позволяющие произвести выбор режимов нагрева в электролите да пайки, сварки, удаления грата;

- разработан узел нагрева с разделительным экраном для нагрева изде лий стержневого типа, свободный от многих недостатков существующие узлов подобного назначения и другие специальные системы и узлы элек тролитных установок, обеспечивающие соответствующее течение процесс и утилизацию отходов;

- разработана технология стыковой сварки стержней из низкоуглеро дистых сталей и некоторых типов инструментальных сталей в электролит« обеспечивающая получение качественных сварных соединений;

- разработана технология удаления грата после стыковой сварки низко- и среднеуглеродистых сталей в электролите с использованием двух схем обработки: ванной испреерной;

- спроектирован технологический процесс, разработана и внедрена от носительно простая и недорогая промышленная полуавтоматическая уст; новка для различных вариантов пайки в электролите изделий стержневог типа из низко- и среднеуглеродистых сталей и их сочетаний с некоторым инструментальными сталями с использованием трехступенчатого нагрева;

- разработана и внедрена промышленная установка для очистки св; рочной проволоки в электролите со специальными рабочими камерами "к встречных потоках", отличающаяся относительной простотой констру)

щи и невысокой стоимостью, свободная от многих недостатков сущест-/ющих механических установок аналогичного применения;

- разработаны специализированные источники питания для каждого та электролитной технологии, позволяющие реализовать с оптимальной ¡эфективностью каждую из них.

Реализация результатов работы. Разработанные на базе теоретических экспериментальных исследований промышленные технологии и установ-г внедрены на следующих предприятиях:

- АО "Новолипецкий металлургический комбинат", технология ц обоснование для очистки сварочной проволоки перед наплавкой валков про-шшх станов;

- АО "Липецкий тракторный завод", технология и оборудование для айки трубопроводов в электролите, очистки сварочной проволоки в элек-

золите;

- АООТ "Чаплыгинский завод агрегатов", технология и оборудование 1я пайки трубопроводов, сверл, закалки игл фильтра в электролите;

- АООТ "Елецкий машиностроительный завод", технология и обору-звание для пайки инструмента в электролите, очистки сварочной провозки в электролите;

- АО "Липецкий опытно-промышленный завод ГИДРОМАШ", техно-згия и оборудование для очистки сварочной проволоки в электролите.

Суммарный экономический эффект от внедрения указанных техноло-ш и оборудования на этих предприятиях составил 1307 млн. рублей в це-IX 1997 года.

Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс ЛГТУ зи чтении курсов лекций и в курсовом и дипломном проектировании для [ециальности "Металлургия сварочного производства".

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации >ши доложены и обсуждены на следующих научно-технических конферен-ых, совещаниях и семинарах: VIII всесоюзная научно-производственная

конференция по электрофизическим и электрохимическим методам обработки "Эльфа-77" (г. Ленинград, 1977), региональная научно-техническа* конференция по электролитным технологиям "Перспектива-78" (г. Рубцовск, 1978), научно-техническая конференция "Пути повышения эффективности процессов сварки и наплавки" (г. Липецк, 1987), семинар-совеща ние "Повышение эффективности сварочных работ" (г. Липецк, 1989), науч но-техническая конференция "Повышение эффективности сварочных ра бот" (г. Липецк, 1990), научно-техническая конференция "Повышение эф фективности металлургического производства" (г. Липецк, 1992), 4-я обла стная научно-техническая конференция "Повышение эффективности метал лургического производства" (г. Липецк, 1995), 5-я областная научно-техни ческая конференция "Повышение эффективности металлургического про изводства" (г. Липецк, 1996), международная конференция "Повышение эф фективности сварочного производства" (г. Липецк, 1996), региональная на учно-техническая конференция "Проблемы экологии и экологической безо пасности Центрального Черноземья" (г. Липецк, 1996), всероссийская науч но-техническая конференция, посвященная 40-летию ЛГТУ (г. Липещ

1996), международный экологический конгресс (г. Воронеж, 1996), всерос сийская научно-техническая конференция "Современные проблемы сваро* ной науки и техники" (г. Воронеж, 1997), всероссийская научно-произво/ ственная конференция "Восстановление и упрочнение деталей - совреме* ный эффективный способ повышения надежности машин" (г. Москв;

1997), научно-производственная конференция "Пути развития сварочны технологий на предприятиях города Москвы" (г. Москва, 1997).

Кроме того, материалы диссертационной работы доложены и обе; ждены на научных семинарах кафедры "Сварочное производство" ЛГТ (г. Липецк), кафедры "Теория и технология сварки" СПбГТУ (г. Санкт-П тербург).

и

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубли-

ованы в 37 научных трудах (в том числе 1 патент и 2 свидетельства) и мо-гографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти лав, общих выводов, списка литературы из 214 наименований и приложе-тй. Работа изложена на 307 страницах машинописного текста, включая 84 >исунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены вопросы современного состояния проблемы [спользования электролитных технологий в сварочном производстве, от-1ечено, что обладающий рядом преимуществ перед другими способами на-рев металлов в электролите практически не используется для сварки г пайки. Сформулирована цель исследований. Приведена общая характе->истика работы.

Первая глава посвящена анализу существующих сведений о процессе [агрева и очистки в электролите, влиянию различных факторов на его ход, шределению возможностей процесса и областей его применения.

Начало изучению явления нагрева катода в электролитической ячейке, [редставляющей собой ванну с электролитом и двумя электродами различ-юй площади, положено еще в прошлом веке Н. Слугиновым, Р. Колли, :. Лагранжем. В последующем большой вклад в исследование процесса «если И. 3. Ясногородский, Л. А. Анагорский, группа ученых АН Молда-■ии.

При подаче на электролитическую ячейку (электролитную ванну) юстоянного тока, напряжение которого увеличивается от 0 до 250 В, мож-ю выделить черыре стадии развития процесса. Для сварочного проиэ-юдства представляют наибольший интерес III стадия, характерная очист-:ой катода от загрязнений, и IV стадия, сопровождающаяся интенсивным [агревом катода.

Многие авторы отмечают, что процессы, происходящие на гранщ металл-электролит при прохождении тока повышенного напряжен* и плотности, чрезвычайно сложны, так как являются комплексным со чет; нием целого ряда совершенно различных факторов, которые в свою 041 редь также являются сложными, комплексными, малоизученными явленш ми.

Существуют различные точки зрения на природу нагрева в электрол* те, зачастую не подтвержденные практическими исследованиями.

По вопросу толщины газового слоя на IV стадии процесса также не единого мнения. И. 3. Ясногородский оценивает ее приблизительн в 0,5 мм, по данным В. С. Мураса она колеблется от 0,2 до 1,2 миЛ. А. Анагорский приводит значение толщины газового слоя в предела 0,04...0,1 мм.

Теоретически газовый слой должен состоять только из водорода, однако в ходе процесса не исключено явление "подсоса" в слой воздуха из окружающей атмосферы.

На ход процесса в той или иной степени влияют многие факторы, дей ствие некоторых из них изучено недостаточно полно, данных о влияни) других нами в литературе не обнаружено,

Первые попытки использования эффекта нагрева в электролите был! предприняты еще в прошлом веке, однако практического применения н нашли.

В начале 40-х годов XX столетия на ряде предприятий успешно рабо тали установки для пайки контактов магнето в электролите. По своим ха рактеристикам этот вид пайки близок к контактно-реактивной (прокладк; доводится до плавления), в настоящее время для пайки он не используется.

В дальнейшем в стране и за рубежом были разработаны, спроектиро ваны и в ряде случаев внедрены в промышленности технологии для прове дения в электролите таких операций, как термообработка, (в том числе за калка инструмента и нанесение композиционных электрохимических по

крытий), обработка давлением. Имеются данные об успешных опытах по использованию электролитного нагрева для химико-термической обработки стали, алюминиевых сплавов, меди. Не были оставлены без внимания и вопросы очистки поверхности различных металлов и сплавов от загрязнений и окалины.

К концу прошлого века относится идея "паяльника Бенардоса", задуманного для нагрева металла в струе электролита или в контакте с влажным пористым материалом, пропитанным электролитом. Делались попытки использования электролитного нагрева для сварки стыковых и нахле-сточных соединений и изготовления термопар, однако промышленного применения эти технологии не нашли из-за отсутствия соответствующих исследований и оборудования.

Несмотря на то, что явление нагрева катода в электролите известно давно, процессы нагрева и очистки поверхности катода, влияние на них различных факторов изучены недостаточно полно, особенно с точки зрения использования в сварочных технологиях.

Исходя из вышеизложенного, основными задачами работы являются:

1. Исследовать основные параметры прикатодной области и влияние их на процесс нагрева катода и очистку его поверхности от загрязнений.

2. Исследовать растекание и подъем припоев в вертикальный зазор при нагреве в электролите по сравнению с другими способами нагрева.

3. Исследовать качество очистки поверхности катода при обработке в электролите и соответствующий процесс очистки сварочной проволоки.

4. Исследовать влияние технологических параметров на процесс нагрева детали до температур, требуемых для сварки и пайки, и определить возможности его применения в сварочных технологиях.

5. Установить закономерности изменения характеристик нагрева для сварки и пайки от основных параметров электролитной обработки и выявить соответствующие аналитические зависимости.

6. Разработать методику расчета режимов нагрева для проведена пайки, сварки и сопутствующих операций в электролите.

7. Оценить воздействие от эксплуатации электролитных установок н; окружающую среду.

На основании проведенных исследований разработать:

]. Технологию стыковой сварки деталей стержневого типа.

2. Технологию удаления грата после стыковой сварки с использовани ем электролитного нагрева.

3. Технологию капиллярной пайки в электролите изделий стержневог типа.

4. Технологию очистки сварочной проволоки в электролите.

5. Специальные установки для сварки, пайки, очистки сварочной проволоки в электролите.

6. Универсальный узел нагрева для сварки или пайки изделий стержн« вого типа, изготовленных преимущественно из низкоуглеродистых стале! отличающийся простотой, долговечностью, возможностью локального нг грева деталей переменного сечения.

7. Универсальный рабочий узел установок для очистки сварочной прс волоки в электролите.

8. Специализированные источники питания для реализации требований технологий и каждого типа электролитной установки.

9. Специальные системы и узлы электролитных установок для обесп чения соответствующего течения процесса и утилизации отходов.

Вторая глава содержит сведения об основных методиках и технике проведения экспериментов.

Определение толщины прикатодной области вокруг катода в режю установившегося нагрева или в режиме поддержания температуры образ! неизменной (стадия IV процесса) производилось на специально разраб танной установке методом киносъемки. Изображение прикатодной обла ти через прозрачное основание рабочей ванны и установленное под угле

45° зеркало попадало в объектив кинокамеры. Для проведения необходимых измерений кадры кинопленки проецировались на экран с требуемым увеличением.

Опыты проводились на образцах из низкоуглеродистой и нержавеющей сталей (Ст.З, сталь 20, сталь 12Х18Н9Т) диаметром 8; 11,5 и 16 мм при глубине их погружения в электролит, равной 30 мм.

Отбор проб газа из парогазового слоя, существующего вокруг катода на 1V стадии процесса нагрева, производился при использовании катода с перевернутой воронкообразной насадкой и пустотелого катода с отверстиями в стенке диаметром 0,1 мм.

Оценка количества водяного пара в прикатодной области осуществлялась измерением количества влаги, сконденсировавшейся в медном холодильнике.

Определение давления в газовом слое вокруг катода в режиме установившегося нагрева производилось по двум описанным выше схемам с той разницей, что вместо газовой пипетки подсоединялся и-образный водяной манометр.

Исследование растекания осуществлялось в соответствии с ГОСТ 20486-75 (методы испытаний на смачиваемость).

Навеска припоя строго заданной массы в каждой серии опытов (0.2...0.5 г) укладывалась на пластину из исследуемой стали, зачищенную металлической щеткой до "металлического блеска", и засыпалась флюсом. После подготовки образец в зависимости от источника нагрева помещался в индуктор установки ТВЧ, в разогретую до требуемой температуры печь или прогревался газовой горелкой. Соблюдение заданного режима нагрева контролировалось с помощью хромель-алюмелевых термопар с использованием регистрирующей аппаратуры (самопишущие потенциометры ЭПП-09 и КСП-4).

В экспериментах использовались пластины из различных сталей тол щиной от 2 до 4 мм размерами 25x25 мм, 25x30 мм, 30x30 м\ и цилиндрической формы диаметром 22,25 и 30 мм.

В случае определения растекания при нагреве в электролите использо вались цельные образцы диаметром 22,25 и 30 мм и составные образцы те} же размеров. Без какой бы то ни было предварительной подготовки (шли фовки, зачистки, обезжиривания) и флюсов образец помещался в электро литную ванну, по конструкции копирующую ванну промышленной уста новки для пайки в электролите.

Исследование подъема припоя в капилляре при различных способа? нагрева осуществлялось в соответствии с ГОСТ 20485-75. На образцы с пе ременным кольцевым зазором 0,1... 1,0 мм накладывалось кольцо припо* и место пайки засыпалось флюсом. Затем образец нагревался тремя опи санными выше способами. При нагреве в электролите образец (без флюса устанавливался на специальную оправку, позволяющую компенсировал его эксцентриситет относительно вертикальной оси рабочего узла и произ вести замер температуры.

Метод определения чистоты поверхности металлов и сплавов поел! какой-либо обработки базируется на термоэлектрическом явлении Зеебека связанном с возникновением на границе "чистые металлы - оксидные плен ки" контактной разности потенциалов, зависящей от наличия и состава за грязнений.

Важнейшими характеристиками цикла нагрева являются скорость на грева (Ун) и стабильность поддержания температуры на заданном уровне Именно эти характеристики и выбраны в качестве критериев для оцени влияния технологических параметров на процесс нагрева под сварку, пай ку и связанные с ними технологии (например, стыковую сварку и удалени* грата после нее в электролите).

Указанные опыты проводились на различных установках, впоследст вии доработанных до промышленных.

Во второй главе рассмотрен вопрос об электролитах, применяемых

в существующих установках, обоснован выбор в качестве электролита водного раствора кальцинированной соды ЫагСОз как вещества доступного и имеющегося на любом промышленном предприятии.

В этой же главе подробно рассмотрен экологический аспект эксплуатации промышленных электролитных установок и показано, что процесс нагрева в электролите для проведения операций сварки и пайки низкоуглеродистой стали хотя и не является безотходным, но при правильной организации влияние его на окружающую среду и обслуживающий персонал минимально, вследствие чего с этих позиций ограничений для его широкого внедрения на производстве нет.

Третья глава посвящена исследованию параметров процесса применительно к сварочным технологиям.

Определение степени неравновесности газоразрядной плазмы, существующей в каналах разрядов между катодом и электролитом, важно как в теоретическом плане, так и в практическом смысле для решения вопросов, связанных с исследованием прикатодной области и управлением ходом течения процесса.

Оценка равновесности разрядов, формирующихся по механизму цепной реакции, проводится по нескольким параметрам.

А. Время достижения электронами максвелловского (равновесного) распределения по энергиям определяется выражением

АТ! = 8е/Г, (1)

где 8е - длина релаксации, V - скорость электронов.

Ли * Ю-10 с.

Б. Установление ионизационного равновесия определяется равенством:

¿Пе/А = п^.-гз), (2)

где Ъ\ и Ъг • числа столкновений одного электрона за единицу времени, сопровождающиеся ионизацией и рекомбинацией соответственно.

При этом Zi = ?1q • V ■ Q- убывает, a Zi = ne ■ V ■ Qc растет. Здесь я0 и пе - концентрация нейтральных частиц и электронов (и ионов), Q- и Qc - эффективные сечения ионизации и рекомбинации;

Подставив значения Zi и Zi в формулу (2) и введя новую переменную,

1 —

U = —— , соответственно ne-U 2, после преобразований получим

пе

Разделяя переменные, будем иметь

u Qi-n* ()

И в конечном виде

U-Uœ = U0-Uœ-e~2Vn&>t. (5)

Отсюда можно найти время релаксации - время, в течение которого отклонение от равновесия уменьшится в е раз

Лт2 = «10-'с.

В. Время установления равновесия между возбужденными и невозбужденными атомами обычно имеет такой же порядок величины, что и врем; установления ионизационного равновесия, то есть

Лтз = Лтз ~ ] О9 с. (6

Г. Время выравнивания энергий электронов и атомов (ионов) опреде ляется, исходя из следующих соображений. Тепловая скорость движении электронов значительно больше скорости молекул и ионов ввиду различи их масс. Поэтому, при столкновении последние можно считать неподвиж ными.

Число столкновений, в течение которых их энергии должны выров няться, есть величина, обратная отношению их масс т/М, то есть (с учето!

их скоростей и энергий) пропорциональная М/2т2. Промежуток времени между последовательными столкновениями электрона определяется как

Дто=1/0'-ло-Р (?)

Время релаксации для этого процесса будет

Лт4 = ~Дто=^- 1 т- »310-«с. (8)

2т 2т у -Щ-У

Таким образом, время достижения равновесия по различным параметрам значительно меньше времени существования одного разряда в парогазовом слое около катода (ЮА.ЛО"4 с). Следовательно, состояние газоразрядной плазмы в нем можно считать квазиравновесным.

Именно прикатодная область и ее характеристики определяют, вероятно, скорость нагрева катода, эффективность его очистки, защиты его от окисления и в итоге пригодность процесса для проведения операций, связанных со сваркой и пайкой.

Исследования показали, что толщина прикатодной области уменьшается по мере увеличения глубины погружения образца в электролит. Это связано со смещением равновесия в прикатодной области.

Разрядный ток определяется формулой Таунсенда

(а - /?)• ехр(а • /?)

/ = /0--\ ; / " V - / — , (9)

а

(1 + у )-{р + а -7)-ехр(а ■/)

где а - число ионизации от одного электрона на его пути от катода к аноду,

/ - расстояние между электродами. Образованные при этом положительные ионы могут ударней ионизацией в объеме создать на своем пути к катоду /? ионизаций, а также при ударе о катод вырвать у электронов (на 1 ион).

Анализ зависимости показывает, что ток в разряде и, следовательно, его мощность, растут с увеличением расстояния между анодом и катодом. С другой стороны, снижение мощности разряда в прикатодной области

вызывает в свою очередь уменьшение количества водорода и пара, выделяющихся в ней, что также приводит к уменьшению ее толщины.

Таким образом, в прикатодной области в состоянии равновесия находятся ее толщина, выделяемая в ней мощность, количество газообразных продуктов и величина гидростатического давления электролита.

Толщина прикатодной области увеличивается с ростом напряжения и увеличением концентрации электролита, что связано с увеличением тока в разрядах при повышении градиента электрического потенциала в искровом промежутке, усилением всех видов и ионизации в микродугах, более интенсивным выделением газообразных продуктов в прикатодной области.

С увеличением температуры образца толщина прикатодной облаете также увеличивается. Это связано с увеличением термоэлектронной эмиссии катода, ростом числа заряженных частиц в микродугах, воздействием разогретого катода на окружающий его слой электролита. Обобщенная ра бочая формула, позволяющая определить толщину прикатодной обласп в зависимости от напряжения (основного регулирующего параметра и температуры образца:

б = 0,00423 и + 0,00008 Т -0,23296 (10

До температуры электролита примерно 50 °С имеет место линейны! рост толщины прикатодной области, связанный с тем, что нагрев электро лита приводит к его более легкому испарению, а также облегченному воз буждению процесса. Дальнейшее повышение температуры электролит (приблизительно до 80 °С) ведет к кипению слоя электролита вокруг кате да и прекращению процесса нагрева катода.

Результаты исследований показали, что прикатодная область состой преимущественно из водорода.

[Н] = 95 + 5% - для катода с "воронкой", [Н] = 91 + 5% - для катода с отверстиями.

В некоторых случаях в отдельных пробах обнаружены азот (до 1,5±0,5%) и углекислый газ, образующийся в результате разложения соды (до 4±0,5%). Содержание водяного пара в самом неблагоприятном случае: [НгО] = 15±5 %.

Давление в прикатодной области невелико и близко по значению к давлению столба жидкости на глубине погруженной части образца. Столь малая величина избыточного давления в прикатодной области является все же достаточной для защиты поверхности катода от контакта с атмосферным воздухом. Это подтверждается как данными предыдущих экспериментов, так и опытом нагрева и пайки различных образцов.

Специфическое течение процесса наблюдается при глубине погружения образца в электролит на 10...8 мм и менее. Внешне это выражается в том, что процесс нагрева начинается, длится некоторое время (до 2...3 с) и внезапно прекращается. Причина этого явления, по-видимому, заключается в том, что давления электролита в подобных случаях недостаточно для достижения равновесия в прикатодной области. Процесс легко возбуждается, но его течение приводит к образованию газового пузыря, не испытывающего препятствия к расширению, что приводит к отталкиванию электролита от катода.

Для оценки технологической паяемости в электролите необходимо оценить растекание по выбранным для данной работы сталям припоев определенного ряда в сравнении с другими способами нагрева.

Стали: Ст.З (ГОСТ 380-88), сталь 20 (ГОСТ 1050-74),

сталь 45 (ГОСТ 1050-74), сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5582-75).

Припои: медь М1 (ГОСТ 859-78), латунь ЛК62-05 (ГОСТ 15527-70), оловянно-свинцовый ПОС 61 (ГОСТ 21930-76).

Результаты исследований растекания припоя ЛК62-05 по сталям при различных способах нагрева приведены на рис. 1.

СЛ

о о

to о о

U1

о о

Сталь 20 ^ Сталь V5 w С'таль <ZX18HWT-

ZZ

При нагреве в электролите поверхность металла подвергается интенсивному воздействию электрических разрядов, частота которых составляет 6000...8000 на 1 см2 в секунду. На прикатодную область приходится до 96% приложенного к электролитной ванне напряжения, градиент электрического потенциала у катода достигает 105 В/см. Прикатодная область, возникающая вокруг детали-катода, как отмечалось выше, содержит преимущественно водород. Температура прикатодной области составляет примерно 7000... 9000 °С.

Все эти условия способствуют эффективной очистке поверхности основного металла от загрязнений и окислов и вызывают ее активацию. Растекание припоя по поверхности металла, свободной от окислов, будет, естественно, выше. Определенную роль в улучшении смачивания играет также эффект электрохимической полировки в электролите, приводящий к уменьшению высоты микровыступов на поверхности металла и сглаживанию следов его .механической обработки. На уменьшение краевого угла смачивания 0 некоторое влияние может оказывать и прохождение электрического тока высокой плотности через каплю расплавленного припоя и подложку.

При рассмотрении вопроса растекания припоев при нагреве в электролите следует также учитывать воздействие микродуг и на сам припой. Это воздействие вызывает испарение части припоя в прикатодую область, окружающую катод, и последующее осаждение его на участках катода, имеющих более низкую температуру.

Некоторое снижение эффективности растекания по сталям припоев типа ПОС связано, по нашему мнению, с их более интенсивным испарением и выводом из рабочей зоны при нагреве в электролите.

Помимо указанных выше материалов проводилось исследование растекания и других припоев (меди М1, латуни JI63, ГФК) по сталям других марок (Р6М5, Р18, 5ХВ2С, 65Г) при нагреве в электролите. Анализ результатов свидетельствует о высоком значении площадей растекания для иссле-

дованных материалов. При пайке в электролите этих материалов в различных сочетаниях указанными или близкими по составу припоями достигается высокое качество соединений.

Для оценки технологической паяемости в электролите помимо изучения растекания необходимо оценить и заполнение припоем вертикального зазора в сравнении с другими способами нагрева. Типичные результаты экспериментов приведены на рис. 2.

О затекании припоя в капилляр при нагреве в электролите по сравнению с другими способами нельзя судить однозначно.

Для настоящих экспериментов, как и для опытов по исследованию растекания в электролите, характерно действие тех же самых факторов процесса. Однако, при нагреве в электролите в серповидном зазоре не идут процессы микродугового воздействия, очистки и активации поверхности. Поэтому, несмотря на более благоприятные условия для течения припоя в зазоре, вызванные присутствием в нем водорода, значительного улучшения затекания припоя в капилляр при нагреве в электролите не наблюдается. Именно по этой причине, при близости значений результатов для четырех способов нагрева заполнение припоем вертикального зазора при нагреве в электролите несколько хуже. Отметим, что при всех способах нагрева кроме электролитного, применялись флюсы.

В целом затекание припоя в зазор при нагреве в электролите находится на уровне несколько более низком, чем при нагреве другими способами, однако на вполне достаточном для проведения качественной пайки широкой группы сталей.

Тот факт, что обрабатываемая деталь является катодом, создают условия для насыщения водородом объема металла, прилегающего к поверхности, вокруг которой существует прикатодная область. Повышенное содержание водорода в сварном или паяном шве в некоторых случаях может привести к негативным последствиям, поэтому важно знать, как влияет

Ь, мм

Рис. 2. Заполнение припоем вертикального зазора при различных способах нагрева

процесс электролитной обработки на наводороживание обрабатываемого изделия и динамику выхода водорода из него.

Исследования наводороживания сварочной проволоки при очисто в электролите и динамики выхода диффузионно-подвижного водорода и: нее проводились в соответствии с установленными требованиями с исполь зованием эвдиометров. Исследовались проволоки трех марок: Св-08Г2С 20Х6ВНМФ и ЗОХГСА диаметром 4; 4 и 3 мм соответственно.

Динамика выхода водорода характерна для большинства случаев де газации металлов при комнатных температурах: интенсивность выделени водорода с течением времени замедляется и по прошествии определенноп периода становится несущественно минимальной. В нашем случае грани цей этого периода можно уверенно считать время, не превышающее 48 ча сов.

Полученные результаты характерны и для случаев нагрева в электро лите под пайку и сварку: водород попадает в сварное соединение в некотс ром относительно небольшом количестве и после окончания операци в течение определенного времени выходит в атмосферу. Учитывая то об стоятельство, что электролитные технологии пригодны для сварки и пайк определенного круга изделий, повышенное содержание водорода в процес се их изготовления не приводит к заметному ухудшению их эксплуатацио? ных характеристик.

На наш взгляд, представляются перспективными и могут быть исполь зованы в производстве следующие электролитные технологии: а - пайка изделий стержневого типа;

б - пайка трубопроводов со штуцерами и подобными деталями; в - стыковая сварка стержней; г - удаление грата после сварки; д - стыковая пайкосварка; е - очистка поверхности сварочной проволоки; ж - активирование поверхности сварочной проволоки;

з - очистаа поверхностей деталей под сварку и пайку;

и - очистка и нагрев деталей под сварку давлением;

к - сварка термопар и подобных проволочных изделий.

Одним из преимуществ электролитных технологий является возможность совмещения некоторых технологических операций в течение обработки в одном и том же рабочем узле, например, стыковой сварки и удаления грата, пайки и последующей очистки, очистки и активирования сварочной проволоки.

Определенные преимущества обещает эксплуатация сварочных полуавтоматов со встроенными устройствами для очистки сварочной проволоки в электролите и комбинация узлов электролитных установок с существующим технологическим оборудованием различного назначения. Немаловажной является также возможность проведения операций термообработки готовых сварных и паяных соединений на том же оборудовании.

Проведенные исследования и разработанное на их основе промышленное оборудование для пайки в электролите были ориентированы на класс изделий преимущественно стержневого типа, линейный размер поперечного сечения которых не более 50...60 мм, требуемая высота зоны нагрева не более 20...30 мм.

С точки зрения экономической эффективности производства процесс и технология пайки в электролите являются промежуточными между ручной газовой пайкой мелких серий деталей и полуавтоматической пайкой крупных серий деталей высокоэффективными способами (например, ТВЧ, в печах и т.п.). Установки для пайки в электролите предназначены для эксплуатации в условиях небольших заводов, ремонтных участков, сельских механических мастерских.

Мощность электролитного процесса как источника теплоты для ведения возможных способов сварки и пайки с учетом КПД примерно равного 0,3 достигает порядка 20 кВт. Такой процесс можно реализовать на образцах с рабочей площадью в несколько квадратных сантиметров. Экспери-

менты и расчеты дают значение максимальной удельной мощности (плот ности энергии) порядка 5Т03 Вт/см2.

Специфика процесса заключается в ограниченных вариантах схем на грева (ванна, спреер, их комбинация) и их модификациях, в возможностс оплавления на предельных режимах острых кромок деталей. Для изготов ления термопар и подобных изделий нагрев в электролите может являтьс: и используется как альтернатива аргоно-дуговой и конденсаторной сварке позволяющий получить продукцию хорошего качества при значительн< меньших затратах.

Четвертая глава посвящена изучению технологических параметро: процесса и исследованию их влияния на сварку, пайку, очистку поверхно сти катода.

Основными критериями для оценки влияния различных факторов н процесс нагрева в электролите являются скорость нагрева образца-катод (Ун) и стабильность выхода температуры образца в заданный интерва с точным поддержанием границ последнего в течение определенного вр< мени.

С увеличением концентрации электролита скорость нагрева образи увеличивается и тем сильнее, чем выше рабочее напряжение. Увеличен? электропроводности электролита приводит и к перераспределению разш сти потенциалов, приложенных непосредственно к прикатодной облает и объему электролита, окружающему катод, в строну уменьшения ее на П( следнем.

При больших концентрациях электролита скорости нагрева велик повышенная концентрация энергии у острых кромок деталей привода к их оплавлению, ухудшается стабильность выхода на заданные температ ры и их поддержания в требуемом интервале, велика опасность перегрев При малых концентрациях электролита резко ухудшаются условия возбу: дения процесса, из-за относительно невысоких скоростей нагрева знач

тельно увеличивается его время и, разумеется, падает производительность труда. Подобные тенденции характерны и для III стадии процесса.

Исходя из вышеизложенного, оптимальная концентрация электролита (водного раствора НагСОз) для экспериментов и промышленных установок выбрана равной 8...10%.

Максимальная скорость нагрева образца наблюдается при температуре электролита около 50 °С, т.к. увеличение толщины прикатодной области при изменении температуры электролита с 10 до 50 °С приводит к росту тепловыделения в ней. С понижением температуры электролита ниже 50 °С напряжение возбуждения увеличивается. Причина этого кроется в механизме перехода пузырькового слоя III стадии процесса в сплошной газовый слой, пробиваемый разрядами (IV стадия).

Изменение соотношения площадей анода и катода оказывает относительно небольшое влияние на скорость нагрева образца, форма анода не играет существенной роли в течении процесса.

Значительно более сильное влияние соотношение площадей анода и катода оказывает на стабильность возбуждения процесса. Так, при уменьшении соотношения Sa/Sk в интервале 10...3 для стабильного возбуждения процесса требуется приложение к рабочей ванне все возрастающих напряжений (со 110 до 140 В для образца с mS=140 гсм2).

С увеличением расстояния между электродами скорость нагрева образца снижается и при некотором его значении процесс срывается.

Минимальное расстояние между анодом и катодом определяется, прежде всего, из условия исключения возможности прямого пробоя слоя электролит а между ними и составляет 20...25 мм.

На стадию возбуждения процесса расстояние между анодом и катодом оказывает значительно меньшее влияние.

Зависимость скорости нагрева образца от рабочего напряжения линейна в широком диапазоне значений VH. Линейность указанных зависимостей позволяет эффективно и просто регулировать в широких пределах

скорость нагрева деталей и узлов практически для всех видов электролит ной обработки, использующих нагрев.

С увеличением глубины погружения образца скорость его нагрева сни жается. При достижении определенной глубины погружения и при опреде ленном напряжении не удается поддерживать процесс нагрева.

При исследовании влияния динамического давления на процесс уста новлено, что при изменении перепада высот столбов электролита с 0,: до 3 метров скорость нагрева образца изменяется незначительно. Причин! относительно слабого влияния динамического давления электролита н; скорость нагрева образца в данных опытах заключается в ослаблении воз действия струй электролита, вытекающих из патрубков при прохождени) через слой электролита, пребывающий в рабочей ванне в спокойном со стоянии.

Явление очистки поверхности катода от различного рода загрязнени: в процессе его обработки в электролите связано, как уже отмечалои с электроэрозионными, ионизационными, кавитационными и востановг тельными процессами в прикатодной области. При этом эффективное очистки повышается при переходе со II на III стадию процесса, и она Mai симальна на границе перехода III стадии в IV.

Термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) поверхности образца из стал после 10 секунд обработки в электролите практически равна ТЭДС чисто поверхности (свежезачищенный механическим способом образец). Резуш таты по очистке поверхности сталей других марок (Ст.З, стали 45, иистр; ментальных сталей Р6М5, Р18) по характеру аналогичны приведенны и отличаются базовым уровнем ТЭДС для каждого случая.

При необходимости сварки или пайки в электролите деталей со след; ми коррозии в той или иной степени, следует учитывать увеличение врем ни обработки. Время удаления окислов, зависящее от их состава, со сто. ния, плотности, расположения на поверхности, изменяется в довольно ш)

роких пределах и в самых неблагоприятных случаях может достигать десятков секунд.

На основании известных работ по обработке поверхностей металлов в электролите, ведущихся в ЛГТУ, и наших исследований были определены подходы к решению задачи по очистке сварочной проволоки в электролите и разработано соответствующее оборудование.

Установлено, что повышение напряжения на нем ведет к повышению качества обработки или к сокращению времени обработки. Объяснение полученных закономерностей вытекает из анализа вольтамперной характеристики процесса и изложенных выше соображений о состоянии прикатод-ной области.

Превышение определенного предела по напряжению вызывает нагрев проволоки, сводящий на нет результаты очистки, и в большинстве случаев ведущий к более интенсивному ее вторичному окислению.

Дальнейшее совершенствование технологии и оборудования привело к созданию рабочего узла со специальной камерой-холодильником, позволившего вести очистку даже в начале IV стадии процесса

Тем не менее, очистка в электролите проволоки с глубокими следами ржавчины не приводит к ее полному удалению. В этом случае частицы ржавчины деструкции не претерпевают и остаются в проволоке, но их негативная роль в сварочных процессах компенсируется действием активирующего и стабилизирующего элемента (натрия) в сухом остатке электролита на проволоке и особенно в углублениях.

При нагреве конкретных деталей в электролите в каждом отдельном случае площадь контакта детали с электролитом (площадь катода) будет различна. Естественно, что нагреваемый объем металла также будет меняться в значительных пределах. Результаты экспериментов показывают, что в зависимости от массы нагреваемой части детали и площади катода изменяется как скорость нагрева, так и конечная температура детали. Ука-

занные факторы в некоторой степени влияют и на течение процесса в режиме возбуждения.

Поскольку "отделить" площадь от массы невозможно, а влияние этих характеристик на скорость нагрева образца прямо противоположно (увеличение массы - снижает, рост площади - увеличивает ее), - применительно к нагреву в электролите следует, на наш взгляд, ввести понятие "массопло-щадь".

Массоплощадь детали характеризуется произведением площади поверхности, вокруг которой образуется стабильный парогазовый ело? и идет процесс нагрева, на массу части детали, ограниченную этой поверх ностью (обозначение - mS, размерность - г-см2).

Разработанные технология и оборудование предназначены дли нагрева в электролите деталей стержневого типа, максимальный линейньп размер сечения которых лежит в пределах 40...50 мм. Для них отношен» m/S с увеличением радиуса сечения в оговоренных выше пределах изменя ется всего в несколько раз. Иными словами доля участия m или S в их про изведении достаточно велика, в отличие от равноосных физических те с большими размерами, для которых mS определяется в основном массой.

Расчетным путем показано, что отношение ш/S не зависит от длин] детали и, следовательно, от высоты зоны нагрева.

Очевидно, что скорость нагрева образца при нагреве образцов одног сечения будет зависеть только от их массоплощади, а при изменении разм! ров и типа сечения - и от отношения m/S.

Влияние отношения m/S на скорость нагрева детали (YH) можно выр; зить поправочным коэффициентом (к) к значению скорости нагрева , опр деленному для эталонного образца:

V„ = (V„)3-k, k = f(m/S). (1

Сразу отметим, что аналогичные выражения можно вывести и до корректировки значений максимальной температуры детали (температур пайки Тп) и параметров режима возбуждения (напряжения возбуждения 1

и времени возбуждения -ci). При этом соответствующими коэффициентами

ц и (3 уточняются значения параметров (Тп)э, (Ui)3 и (n)3, полученные для эталонного образца.

Тп = (Т„)эИ, (12)

Ui=(Ui),p, (13)

Ti = (хОэ Р , (14)

(х = f(m/S), (3 = f(m/S). (15)

Коэффициенты к, ц и р в зависимости от найденного значения m/S могут быть определены по номограмме (рис. 3) или рассчитаны по эмпирическим полиномиальным формулам:

к = -0,0101х3 + 0,2251х2 - 1,6216х = 4,318 , (16)

ц = -0,0007х2-0,051 х+ 1,1333 , (17)

Р = -0,0055x2 + 0,1633х + 0,6681 , (18)

где х = m/S.

В качестве эталонного нами выбран образец, имеющий цилиндрическую форму (с каналом для термопары), диаметром 1 см, (m/S = 1,7 г/см2).

Зависимость скорости нагрева эталонного образца от его массоплоща-ди приведена на рис. 4. Кривые имеют максимум при значении mS примерно 60 г см2, с увеличением массоплощади образца скорость его нагрева по вполне понятным причинам снижается, и ее абсолютное значение тем ниже, чем ниже рабочее напряжение.

Максимум на кривых объясняется малой глубиной погружения образца в электролит (аномалия процесса) и тем, что с уменьшением площади нагрева уменьшается и нагреваемая масса при резком возрастании "холодной" массы детали.

Влияние рабочего напряжения и массоплощади детали на ее конечную температуру иллюстрируется рис. 5. С уменьшением массоплощади детали для поддержания ее температуры заданной и неизменной требуется меньшее рабочее напряжение.

я 0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1А

I 3,0 2,0 1,00,80,60,4 0,2 0

1,0

2,0 R,CM

Рис. 3. Номограмма для определения значений m/S, к, ц, Р

Рис. 4. Зависимость скорости нагрева эталонного образца ог его массоп.тощади (С1Л 8%. Т,,-25"€. 5А=50...5)

Уз,В

130

,1200°С .

1л>

100 120 140 160 180... 600 ПЛБ.Г-СМ

Рис. 5. Взаимосвязь конечной температуры эталонного образца с его массоплощадью и рабочим напряжением

(Сэл=8 %, Тэ„=25 "С, 5а/8к=10, /=50 мм)

При mS меньше 30 гсм2, как и в предыдущем случае, наблюдается аномалия, связанная с малой глубиной погружения образца в электролит. В общем случае, для получения более высокой температуры детали, следует использовать и большее рабочее напряжение.

Подача на электролитную ванну заранее определенного напряжения (для получения требуемой температуры образца) не приводит к одномоментному началу нагрева. Даже при поддержании стабильными прочих параметров процесса стадия III может быть относительно протяженной и нестабильной во времени. Поэтому для точного и быстрого инициирования процесса нагрева к рабочему узлу сначала должно быть приложено повышенное напряжение возбуждения. Установлено, что нагрев в электролите для сварочных целей целесообразно проводить в 3 ступени (на трех напряжениях). Первое - напряжение возбуждения, второе - выхода на заданную температуру, третье - поддержания температуры.

Под временем возбуждения (ti) принимаем время выхода образца на температуру 300 РС.

В результате исследований установлено, что, начиная со значения мас-соплощади 30 гсм2 в сторону ее роста, время возбуждения уменьшается с увеличением напряжения возбуждения (Ui) и при 240 В составляет около 4 с. Дальнейшее увеличение Ui практически не приводит к уменьшению ц, так как при этих условиях уже достигнуто минимальное время, необходимое для формирования сплошного парогазового слоя вокруг катода.

Увеличение массоплощади при пониженнных Ui приводит к увеличению ti, что связано с формированием прикатодной области вокруг возрастающих поверхностей при умеренном подводе энергии к ним.

Влияние отношения m/S на ход стадии возбуждения процесса значительно меньше, чем на скорость нагрева деталей.

Важным фактором для успешного проведения любых операций в электролите, особенно в автоматическом режиме, является повторяемость технологических циклов. Для длительных во времени процессов, связанных, например, с очисткой сварочной проволоки на первый план выходит во-

прос стабилизации в требуемом интервале необходимых параметров режима обработки.

Технологические параметры можно разбить на три группы и указать определенную в ходе исследований необходимую точность поддержания их значений.

1 - не изменяющиеся во время работы установки. Это отношение площадей анода и катода, расстояние между анодом и катодом, форма анода и концентрация электролита (± 0,5%).

2 - изменяющиеся во время работы установки и оказывающие определенное влияние на процесс. Это температура электролита (± 5%), гидростатическое и динамическое давления электролита (изменяются при настройке на режим, затем постоянны), массоплощадь детали (в среднем для одного узла постоянна).

3 - регулирующие параметры. Это напряжение на ванне (± 5 В) и время его действия (± 0,25 с).

Установлено, что разброс конечной температуры образца при много кратном повторении цикла нагрева в самых неблагоприятных условиях » превышает 100 °С.

Пятая глава содержит материалы по разработке различных техноло гий использования электролитного нагрева и сопутствующих ему процес сов в области сварки, пайки и очистки сварочной проволоки.

Для реализации этих технологических операций проведены соответст вующие опытно-конструкторские разработки, закончившиеся изготов® нием действующих опытных и промышленных установок.

В ходе исследований и проектных работ потребовалось создание мн< гих специальных элементов и узлов (некоторые из них защищены авто] скими свидетельствами) и включение их в состав существующего оборуд вания.

Разработана технология стыковой сварки стержней из низкоуглерод стых сталей и некоторых типов инструментальных сталей в электролиз позволяющая получить соединения хорошего качества (прочность состав

ла около 70% в сравнении с цельным холоднокатаным прутком и около

90% - с таким же отожженным).

Установлено влияние конструктивных особенностей рабочих узлов для удаления грата на качество обработки и производительность процесса и разработана технология удаления грата после стыковой сварки низко-и среднеуглеродистых сталей в электролите с использованием двух схем обработки: ванной и спреерной.

Спроектирован технологический процесс и различные варианты пайки в электролите изделий стержневого типа из низко- и среднеуглеродистых сталей и их сочетаний с некоторыми инструментальными сталями с использованием трехступенчатого нагрева. Построена номограмма для определения режимов при нагреве в электролите под сварку или пайку, выбор которых сводится к определению трех пар значений напряжений и длительностей их приложения к рабочему узлу установки и корректировки их тремя поправочными коэффициентами.

Разработана промышленная полуавтоматическая установка для пайки в электролите изделий стержневого типа, отличающаяся относительной простотой конструкции и невысокой стоимостью, предназначенная для эксплуатации в условиях небольших заводов, цехов, мастерских. Реализован узел нагрева с разделительным экраном для нагрева изделий стержневого типа, позволяющий устранить многие недостатки существующих уз-пов подобного назначения.

Спроектирован технологический процесс очистки поверхности сварочной проволоки от загрязнений различного вида с использованием ра-эочих узлов различных конструкций (патент РФ 2068038). Разработана тромышленная установка для очистки сварочной проволоки в электролиге, относительно недорогая и конструктивно несложная, свободная от мно--их недостатков механических установок аналогичного применения (Свид. 1а полезную модель 4974 РФ).

Для конкретных установок разработано также несколько вариантов ¡пециализированных источников питания, позволяющих наиболее полно >еализовать особенности электролитных процессов, поддерживать техно-

логические параметры с необходимой точностью и в заданных пределах, обеспечивать высокий уровень автоматизации.

Суммарный экономический эффект от внедрения указанных технологий и оборудования на предприятиях региона составил 1307 млн. рублей в ценах 1997 года.

Не оставлены без внимания вопросы экономии материалов и энергии, повышения производительности труда и воздействия процессов на окружающую среду.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые исследованы особенности нагрева катода в электролите и сопутствующей очистки его поверхности от различных загрязнений с точки зрения определения возможностей для применения процесса в сварочных технологиях.

2. Расчетным путем установлено, что время достижения равновесия по различным параметрам в парогазовом слое около катода значительно меньше (на 4...5 порядков) времени существования одиночного разряда, следовательно, состояние газоразрядной плазмы в парогазовом слое около катода можно считать квазиравновесным.

3. Установлено, что прикатодная область состоит преимущественно из водорода, а также может содержать до 20% водяного пара. Эти компоненты, будучи в ионизированном состоянии вследствие высокой температуры в прикатодной области, обеспечивают защиту поверхности катода от окисления. Технологические параметры процесса не оказывают заметного влияния на химический состав прикатодной области. Величина давления в прикатодной области близка к давлению, создаваемому столбом электролита на глубине погружения образца, и его достаточно для эффективной защиты катода от атмосферного воздуха.

4. Выявлена аномалия процесса нагрева в электролите при малых глубинах погружения детали в электролит, проявляющаяся в резком снижении ее скорости нагрева и температуры, вплоть до срыва процесса.

5. Установлено, что растекание оловянно-свинцовых припоев и при-

юев на основе меди по низко- и среднеуглеродистым сталям при нагреве ; электролите без фшосов находится примерно на одном уровне с растением при нагреве в печи, газовым пламенем и ТВЧ. При пайке в электро-[ите без флюсов инструментальных сталей, сталей типа 65Г, 5ХВ2С и по-;обных имеет место достаточно хорошее смачивание их припоями на осно-е меди.

6. Определено, что затекание припоев в зазор при нагреве в электроли-е несколько хуже, чем при нагреве другими способами, однако является остаточным для проведения качественной пайки широкой группы сталей.

7. Подтверждено наличие эффекта очистки поверхности катода от за-рязнений всякого рода (масло, механические примеси, окисная пленка, жавчина), позволяющего проводить нагрев под сварку без предваритель-ой обработки (очистки, обезжиривания) поверхностей деталей и без при-[енения флюсов при пайке в электролите.

8. Установлено, что в процессе обработки металла в электролите имеет [есто наводороживание его поверхностного слоя с последующим выходом одорода в течение определенного времени в атмосферу. Это следует учи-ывать в соответствующих технологиях и при использовании прошедшей чистку в электролите сварочной проволоки.

9. На основании экспериментальных исследований и теоретического бобщения определена возможность применения электролитных технологи"! в сварочном производстве. Процесс нагрева в электролите для свароч-ых технологий является универсальным, позволяющим на одном и том же борудовании с минимальными переналадками производить очистку дета-гй, пайку, пайкосварку, стыковую сварку, удаление грата, термообработ-у. Электролитная технология занимает промежуточное место между руч-ым газовым нагревом мелких серий деталей и полуавтоматическим изго-эвлением крупных серий узлов высокоэффективными способами нагрева гапример, ТВЧ, в печах и тому подобное). Установки для сварки и пайки электролите преимущественно изделий стержневого типа предназначены

для эксплуатации в условиях небольших заводов, отдельных цехов, ремонтных участков, механических мастерских.

10. Установлено, что основным фактором, оказывающим сильное воздействие на скорость нагрева и температуру образца, является рабочее напряжение, которое и следует использовать в качестве регулирующего параметра. Определены допуски на точность поддержания отдельных параметров процесса для обеспечения требуемых пределов в отклонениях по скорости нагрева и конечной температуре детали для различных операций. Остальные параметры изменяют указанные характеристики в более узких пределах и при работе оборудования подлежат стабилизации.

11. Предложена характеристика "массоплощадь" детали, оказывающая существенное влияние на скорость нагрева и конечную температур} детали, определены соответствующие зависимости, позволяющие упростить выбор режимов нагрева узлов различного типа.

12. Разработана методика выбора режимов для нагрева в электролит« под сварку или пайку, которая сводится к определению трех пар значение напряжений и длительностей их приложения к рабочему узлу установи и корректировки их тремя поправочными коэффициентами по специаль ной номограмме.

13. Разработан узел нагрева с разделительным экраном для нагрева из делий стержневого типа, свободный от многих недостатков существующие узлов подобного назначения и другие специальные системы и узлы элек тролитных установок, обеспечивающие соответствующее течение процесс; и утилизацию отходов.

14. Разработана технология стыковой сварки стержней из низкоугле родистых сталей и некоторых типов инструментальных сталей в электро лите, позволяющая получить соединения хорошего качества.

15. Разработана технология удаления грата после стыковой сварю низко- и среднеуглеродистых сталей в электролите с использованием дву: схем обработки: ванной и спреерной. Исследовано влияние конструктив ных особенностей рабочих узлов для удаления грата на качество обработ ки и производительность процесса.

ми инструментальными сталями с использованием трехступенчатого нагрева.

17. Разработана и внедрена промышленная установка для очистки сварочной проволоки в электролите со специальными рабочими камерами "на встречных потоках", отличающаяся относительной простотой конструкции и невысокой стоимостью, свободная от многих недостатков существующих механических установок аналогичного применения.

18. Разработаны специализированные источники питания для каждого типа электролитной технологии, позволяющие реализовать с оптимальной эффективностью каждую из них.

Основные положения диссертации отражены

в следующих публикациях:

1. Деев Г.Ф., Лебедев C.B., Смородин H.A. Наводороживание сварочной проволоки в процессе ее очистки в электролите // Сб. науч. тр. ЛГТУ-ЛЭГИ.

Липецк: 1997. - С. 57-59.

2. Демянцевич В. П., Самойлов М. И., Лебедев С. В. Источник питания установки для пайки в электролите // Электротехническая промышленность. Серия: Электросварка. -1982. - № 3. - С. 6-7.

3. Демянцевич В. П., Самойлов М. И., Лебедев С. В. К вопросу о пайке в электролите // Качество и прочность сварных и паяных соединений. Труды Л ПИ. Л.: 1983.-С. 25-28.

4. Диффузионная сварка стержней в электролите / С. В. Лебедев., П. Д. Торопцев, М. И. Самойлов и др. // Кратк. тез. докл. VIII Всесоюз. науч.-произв. конф. по электрофизическим и электрохимическим методам обработки "Эльфа-77". Л.: 1977.-С. 124.

5. Еретнов К. И., Лебедев С. В. Оценка степени равновесности газоразрядной плазмы в прикатодной области при нагреве металлов в электролите П Изготовление, восстановление и упрочнение металлорежущего инструмента. Сб. науч. тр. ТГТУ. Тверь: 1997. - С. 46-50.

6. Еретнов К. И., Лебедев С. В. Процессы нагрева и очистки поверхности металлов в электролите и их практическое использование. Липецк: Липецкое язд-во Госкомпечати РФ, 1997. -252 с.

7. Ивженко Г. Д., Лебедев С. В., Терешков Д. В. Источник питания установки для очистки сварочной проволоки в электролите // Пути повышения эффективности процессов сварки и наплавки. Тез. докл. науч.-техн. конф. Липецк: 1987. - С. 55-56.

8. Исследование наводороживания сварочной проволоки при ее очистке в электролите / С. В. Лебедев, В. П. Лямкин, О. В. Тяпаев и др. // Повышение эффективности металлургического производства. Тез. докл. VI обл. науч.-техн. конф. Липецк: 1997. - С. 41-42.

9. Исследование процесса и модернизация рабочего узла установки дш очистки сварочной проволоки в электролите / С. В. Лебедев, Г. А. Кострыкин В. И. Прокопов и др. // Повышение эффективности сварочных работ. Тез. докл науч.- техн. конф. Липецк: 1990. - С. 54-56.

10. Лебедев С. В. Источник питания установки для очистки сварочно! проволоки в электролите // Электротехника.- 996. - № 3. - С. 50-51.

11. Лебедев С. В. К вопросу об очистке и активировании сварочной прово локи в электролите // Прогрессивная технология сварочного производства Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: 1989. - С. 17-21.

12. Лебедев С. В., Кострыкин Г. А., Прокопов В. И. Модернизация уста новки для очистки сварочной проволоки в электролите II Повышение эффек тивности сварочных работ. Тез. докл. к сем.-совещ. Липецк: 1989. - С. 38-43.

13. Лебедев С. В., Кузнецов Е. М. Очистка сварочной проволоки в эле! тролите // Повышение эффективности сварочного производства. Сб. тр. междз нар. конф. Липецк: 1996. - С. 77-80.

14. Лебедев С. В. Моделирование процесса стыковой сварки с использовг нием электролитного нагрева // Известия вузов. Машиностроение. - 199» -№4-6.-С. 78-81.

15. Лебедев С. В. Модернизация узла нагрева установки для пайки изделт стержневого типа в электролите И Тез. докл. Всеросс. науч.-техн. конф., посвя1 40-летию ЛГТУ. Липецк: 1996. - С. 28.

16. Лебедев С. В. Нанесение покрытий на стальную проволоку с использ ванием электролитного нагрева // Повышение эффективности металлургич ского производства. Тез. докл. V науч.-техн. конф. МФ ЛГТУ. Липецк: 19S - С. 26.

17. Лебедев С. В., Овчинников Ю. М. К вопросу об экологическом воздействии на окружающую среду установок для пайки низкоуглеродистых сталей в электролите // Вестник МАНЭБ,- 1996. - № 4,- С. 27-28.

18. Лебедев С. В., Овчинников Ю. М. Экологический аспект процесса пайки низкоуглеродистых сталей в электролите // Проблемы экологии и экологической безопасности центрального черноземья. Тез. докл. науч.-техн. конф. Липецк: 1996.-С. 31.

19. Лебедев С. В., Прокопов В. И. Повышение производительности и качества обработки установки для очистки сварочной проволоки в электролите // Повышение эффективности металлургического производства. Тез. докл. науч.-техн. конф. Липецк: 1992. - С. 12.

20. Лебедев С. В., Самойлов М. П., Деев Г. Ф. Выбор режимов при пайке изделий стержневого типа с использованием нагрева в электролите // Автоматическая сварка. - 1997. - № 2. - С. 36-38.

21. Лебедев С. В., Сарычев И. С. Установка для очистки сварочной проволоки в электролите//Сварочное производство. -1984.-№9. - С. 32.

22. Лебедев С. В. Сварочный полуавтомат со встроенным устройством для очистки проволоки в электролите // Вестник машиностроения. - 1996. - № 10. - С. 39.

23. Лебедев С. В., Слапогузов В. В. Об опыте наложения высоковольтных импульсов постоянного тока на рабочую ванну в процессе электролитной обработки //Повышение эффективности металлургического производства. Тез. докл. V науч.-техн. конф. МФ ЛГТУ. Липецк: 1996. - С. 24-25.

24. Лебедев С. В., Торопцев П. Д. Использование нагрева в электролите для получения сварных биметаллических полос // Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97". Матер. Российской науч.-техн. конф. Воронеж: 1997.-С. 193-194.

25. Лебедев С. В. Удаление грата после стыковой сварки обработкой в электролите // Повышение эффективности металлургического производства. Тез. докл. IV науч.-техн. конф. МФ ЛГТУ. Липецк: 1995. - С. 9.

26. Лебедев С. В. Удаление грата после стыковой сварки обработкой в электролите // Сварочное производство. -1996. - № 3. - С. 4-6.

27. Об опыте совмещения процессов очистки и активирования сварочной проволоки в электролите / С. В. Лебедев, И. С. Сарычев, С. В. Королев и др.

// Пути повышения эффективности процессов сварки и наплавки. Тез. докл. на-уч.-техн. конф. Липецк: 1987. - С. 53-54.

28. Оценка возможности диффузионной сварки низкоуглеродистой стали в электролите / В. П. Демянцевич, М. И. Самойлов, С. В. Лебедев и др. // Сварочное производство. - 1982. - № 5. - С. 27-29.

29. Пайка стальных трубок с нагревом в электролите / М. Д. Яхонтов, П. Д. Торопцев, С. В. Лебедев и др. // Кратк. тез. докл. VIII Всесоюз. науч.-про-изв. конф. по электрофизическим и электрохимическим методам обработки "Эльфа-77". Л.: 1977.-С. 123.

30. Способ пайки твердосплавного инструмента с нагревом в электролите / М. И. Самойлов, С. В. Лебедев, Л. А. Анагорский и др. // Кратк. тез. докл. VIII Всесоюз. науч.-произв. конф. по электрофизическим и электрохимическим методам обработки "Эльфа-77". Л.: 1977. - С. 123.

31. Способ электролитно-разрядной очистки длинномерных изделий /В. В. Ветер, С. В. Лебедев, М. И. Самойлов и др. Патент 2068038 РФ. МКИ С 25 F 1/00.

32. Установка для очистки сварочной проволоки в электролите / В. В. Ветер, С. В. Лебедев, И. С. Сарычев и др. // Информационный листок № 85-1. Липецк: Липецкий ЦНТИ, 1985. - 4 с.

33. Установка для пайки в электролите / С. В. Лебедев, В. П. Демянцевич. М. И. Самойлов и др. // Сварочное производство. - 1982. - № 5. - С. 24-25.

34. Устройство для нагрева деталей в электролите / В. В. Ветер, С. В. Лебедев, М. И. Самойлов и др. Свид. на полезную модель 4971 РФ. МКИ С 21 D 1/44.

35. Устройство для электролитической очистки длинномерных изделий / В. В. Ветер, С. В. Лебедев, М. И. Самойлов и др. Свид. на полезную модель 4974 РФ. МКИ С 25 F 7/00.

36. Lebedev S. V., Ovchirmikov Y. М., Korotkov В. G. Ecological aspect of low carbon steel butt welding process in electrolyte medium // Proceedings and abstra ct: of international ecological congress. Section: Technology and Environment Voronezh: 1996. P. 63.

^ , „ ■"> —

..... У £>2 О

у

V с

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

V,- Яо : // о >Т, а На правах рукописи

V/и г,-■:

Лебедев Сергей Ви^торинович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.03.06 -

"Технология и машины сварочного производства"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Липецк -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................................................................... 6

1. Литературный обзор и постановка задач исследований............. 16

1.1. Физическая сущность процесса и его полная вольтамперная характеристика.............................................................. 16

1.2. Влияние различных факторов на ход процесса................. 32

1.3. Механизм нагрева катода и его

некоторые характеристики.............................................. 36

1.4. Возможности процесса и области его применения............ 40

1.5. Анализ литературных данных и постановка

задач исследований......................................................... 47

2. Методика и техника проведения экспериментов........................ 57

2.1. Определение толщины прикатодной области на стадии нагрева катода................................................................ 58

2.2. Определение химического состава и давления

газов прикатодной области........................................... 61

2.3. Исследование растекания при различных

способах нагрева.............................................................65

2.4. Исследование подъема припоя в капилляре при

различных способах нагрева...................................................69

2.5. Исследование качества очистки поверхности катода

при обработке в электролите...................................................75

2.6. Исследование влияния технологических параметров

процесса на нагрев деталей и очистку.....................................78

2.7. Электролиты, применяемые в существующих установках..........84

2.8. Экологический аспект эксплуатации промышленных электролитных установок.......................................................88

3. Исследование параметров процесса применительно к сварочным технологиям....................................................................93

3.1. Оценка степени неравновесности газоразрядной

плазмы в прикатодной области................................................93

3.2. Определение толщины прикатодной области............................99

3.3. Исследование химического состава среды

прикатодной области.........................................................112

3.4. Определение давления в прикатодной области........................114

3.5. Исследование растекания.......................................................117

3.6. Исследование подъема припоя в капилляре............................125

3.7. Исследование наводороживания металла катода

при его обработке в электролите............................................133

3.8. Определение возможностей применения процессов очистки

и нагрева в электролите в сварочных технологиях...................138

Выводы.................................................................................145

4. Технологические параметры процесса и исследование их влияния на сварку, пайку, очистку поверхности катода ..

4.1. Концентрация электролита.............................................. 148

4.2. Температура электролита................................................ 152

4.3. Соотношение площадей анода и катода........................... 159

4.4. Расстояние между анодом и катодом............................... 166

4.5. Разность потенциалов между электродами....................... 168

4.6. Давление электролита на катод....................................... 172

4.7. Исследование качества очистки поверхности катода........ 177

4.8. Масса и площадь детали.................................................. 190

4.9. Влияние рабочего напряжения и массоплощади

детали на ее конечную температуру................................ 201

4.10. Влияние напряжения возбуждения и массоплощади

детали на время возбуждения процесса........................... 202

4.11. Исследование повторяемости циклов нагрева и очистки ... 205

Выводы....................................................................................... 210

5. Разработка технологических процессов, промышленных установок и внедрение результатов исследований в производство............... 213

5.1. Применение электролитного нагрева для сварки................... 213

5.2. Проектирование технологического процесса пайки...............231

5.3. Проектирование технологического процесса и установок

для очистки поверхности сварочной проволоки....................252

5.4. Разработка установок для пайки, сварки, очистки,

удаления грата и соответствующих узлов к ним.....................257

5.5. Специализированные источники питания для промышленных установок и технологических процессов........266

5.6. Особенности специальных систем и узлов электролитных установок для обеспечения соответствующего течения процесса и утилизации отходов.............................................274

Выводы..........................................................................................278

Общие выводы по работе.................................................................281

Литература......................................................................................285

Приложения.....................................................................................308

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире наука и техника являются основными, если не единственными, движущими силами материального развития человечества.

Несмотря на провозглашение приоритетного развития наукоемких областей и высоких технологий, самое пристальное внимание уделяется совершенствованию и модернизации отраслей сегодняшнего дня, производящих для нас, людей, "металлические" изделия, пусть и снабженные микрокомпьютерами.

К таким отраслям промышленности следует отнести и сварочное производство с его широкой гаммой технологических процессов самого различного вида, уровня и сложности.

И в настоящее время не потеряли актуальности вопросы внедрения новых технологий, улучшения качества сварных и паяных соединений, повышения производительности труда в совокупности с механизацией и автоматизацией производства при возможно меньших материальных и иных затратах и минимальном воздействии на окружающую среду.

Использование в операционных циклах сварки и пайки ранее не применявшихся физических и химических явлений или незаслуженно забытых процессов в совокупности с современными методами исследований и на элементной базе сегодняшнего дня, несомненно, продвинет науку и технику еще на шаг вперед.

Представляется вполне закономерным, что многие новые, обладающие определенными достоинствами технологии развиваются на стыке соответствующих и подходящих друг к другу процессов.

Среди тепловых источников более ста лет известен способ нагрева токопроводящих материалов и, в частности, металлов в электролите, обладающий рядом преимуществ перед другими.

Для него характерны следующие параметры и особенности:

- высокие скорости нагрева, достигающие сотен градусов в секунду;

- наличие вокруг нагреваемой детали парогазовой оболочки, состоящей преимущественно из водорода;

- электроэрозионное воздействие микроразрядов

(до 6000...8000 1/см2 с) на обрабатываемую поверхность;

- высокий градиент электрического потенциала у поверхности катода, достигающий 105 В/см;

- протекание кавитационных процессов в прикатодной области;

- высокая температура газовой оболочки вокруг катода, примерно равная 7000...9000 °С,- наличие эффекта очистки поверхности обрабатываемой детали,

- простота регулирования скорости нагрева и некоторых других па-

раметров процесса изменением приложенного к рабочему узлу напряжения.

Тем не менее, этот, обладающий рядом достоинств процесс, практически не нашел применения в сварочных технологиях.

Попытки его использования для сварки и пайки предпринимались у нас в стране и в единичных случаях за рубежом, но развития не получили, на наш взгляд, из-за первоначальной ориентации электролитных технологий на операции нагрева, термообработки и очистки.

Однако, опыт предшественников и наши предварительные эксперименты показали возможность использования электролитного нагрева и электролитной очистки в области сварки с реализацией определенных преимуществ этих технологий и соответствующим экономическим эффектом.

В последние годы наметилась тенденция перевода некоторых производств с крупных предприятий на мелкие (другой формы собственности),

переход на гибкое мелкосерийное изготовление сварных и паяных узлов. В этих условиях относительно несложные и недорогие электролитные установки, обладающие достаточно высокой универсальностью, производительностью и автоматизацией, обеспечивающие хорошее качество получаемой продукции, могут сыграть положительную роль.

Вместе с тем, анализ литературных источников выявил наличие существенных теоретических противоречий и пробелов в исследованиях процесса нагрева в электролите и сопутствующей ему очистки поверхности катода. Немногочисленны или совсем отсутствуют сведения о влиянии технологических параметров процесса на нагрев и очистку применительно к пайке и сварке, наводороживание обрабатываемого металла. Нами не обнаружено исследований по растеканию припоев при нагреве в электролите и их подъему в капилляре.

Цель работы. Исследование процесса и разработка теоретических и практических основ использования электролитных технологий в сварочном производстве.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы, включающие результаты расчетных и экспериментальных исследований, практические рекомендации и технические разработки.

1. Расчетно-теоретическое обоснование квазиравновесности газоразрядной плазмы в прикатодной области при нагреве в электролите.

2. Методики исследования некоторых параметров процесса нагрева в электролите с точки зрения его применения к сварочным технологиям.

3. Результаты экспериментальных исследований по влиянию технологических параметров процесса на нагрев и очистку поверхности катода.

4. Эффект аномального течения процесса нагрева в электролите при малых глубинах погружения катода в электролит.

5. Впервые проведенные исследования растекания припоев по сталям и их затеканию в капилляр при электролитном нагреве в сравнении с другими способами нагрева.

6. Результаты экспериментальных исследований по наводороживанию сварочной проволоки при ее очистке в электролите и динамике выхода водорода из нее.

7. Результаты экспериментальных исследований по определению возможностей применения процессов очистки и нагрева в электролите в сварочных технологиях.

8. Новые технические решения, позволяющие расширить ряд технологических возможностей сварки и пайки, повысить качество и производительность этих процессов, уменьшить затраты при изготовлении сварных и паяных изделий при мелкосерийном производстве.

Методы исследований. Теоретический анализ основных факторов электролитного процесса, определяющих его необходимое течение и пригодность для сварочных технологий, проводился на основе современных представлений теории сварочных процессов, теории дуговых разрядов, физики, химии, металлургии и смежных наук.

Наряду с классическими методами исследований применен ряд оригинальных методик. К ним можно отнести специально разработанные установку и технологию киносъемки прикатодной области для определения ее толщины в зависимости от ряда факторов, устройства для отбора проб газа из прикатодной области, установки для исследования влияния технологических параметров процесса на нагрев и очистку катода.

При обработке результатов исследований использовалась современная вычислительная техника, широко распространенные проверенные методики, стандартные статистические программы.

Научная новизна основных результатов, полученных автором в ходе

решения поставленной проблемы, проявилась в следующих научных достижениях и разработках:

- впервые исследованы особенности нагрева катода в электролите и очистки его поверхности с точки зрения применения процесса в сварочных технологиях, определены его основные характеристики и место в ряду источников теплоты;

- расчетным путем установлено, что время достижения равновесия по различным параметрам в парогазовом слое около катода значительно меньше (на 4...5 порядков) времени существования одиночного разряда, следовательно, состояние газоразрядной плазмы в парогазовом слое около катода можно считать квазиравновесным;

- установлено, что прикатодная область состоит преимущественно из водорода, а также может содержать до 20% водяного пара. Эти компоненты, будучи в ионизированном состоянии вследствие высокой температуры в прикатодной области, обеспечивают защиту поверхности катода от окисления. Давления газов в прикатодной области достаточно для эффективной защиты катода от атмосферного воздуха;

- выявлена аномалия процесса нагрева в электролите при малых глубинах погружения детали в электролит, проявляющаяся в резком снижении ее скорости нагрева и температуры, вплоть до срыва процесса;

- установлено, что основным фактором, оказывающим сильное воздействие на скорость нагрева и температуру образца, является рабочее напряжение, которое и следует использовать в качестве регулирующего параметра. Определены допуски на точность поддержания отдельных параметров процесса для обеспечения требуемых пределов в отклонениях по скорости нагрева и конечной температуре детали для различных операций;

- предложена характеристика "массоплощадь" детали, оказывающая существенное влияние на скорость нагрева и конечную температуру детали, определены соответствующие зависимости, позволяющие упростить выбор режимов нагрева деталей и узлов различного типа;

- установлено, что в процессе обработки металла в электролите имеет место наводороживание его поверхностного слоя с последующим выходом водорода в течение определенного времени в атмосферу. Это следует учитывать в соответствующих технологиях и при использовании сварочной проволоки, прошедшей очистку в электролите;

- установлено, что растекание оловянно-свинцовых припоев и припоев на основе меди по низко- и среднеуглеродистым сталям при нагреве в электролите находится примерно на одном уровне с растеканием при нагреве в печи, газовым пламенем и ТВЧ. При пайке в электролите инструментальных сталей, сталей типа 65Г, 5ХВ2С и подобных имеет место достаточно хорошее смачивание их припоями на основе меди;

- определено, что затекание припоев в зазор при нагреве в электролите несколько хуже, чем при нагреве другими способами, однако является достаточным для проведения качественной пайки широкой группы сталей;

- на основании экспериментальных исследований и теоретического обобщения определена возможность применения электролитных технологий в сварочном производстве.

Процесс нагрева в электролите для сварочных технологий является универсальным, позволяющим на одном и том же оборудовании с минимальными переналадками производить очистку деталей, пайку, пайко-сварку, стыковую сварку, удаление грата, термообработку. Электролитная технология занимает промежуточное место между ручным газовым нагревом мелких серий деталей и полуавтоматическим изготовлением крупных серий узлов высокоэффективными способами нагрева (например, ТВЧ, в печах и т.п.). Установки для сварки и пайки в электролите

преимущественно изделий стержневого типа предназначены для эксплуатации в условиях небольших заводов, отдельных цехов, ремонтных участков, механических мастерских.

Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях теории сварочных процессов, физически обоснованной постановке и корректности решения поставленных задач, сопоставлении их результатов с экспериментальными исследованиями и данными других авторов, внедрением в промышленности.

Практическая ценность. Экспериментальное исследование процесса нагрева и очистки в электролите и полученные теоретические данные явились основой для следующих практических результатов:

- разработан расчетно-аналитический метод и построены номограммы, позволяющие произвести выбор режимов нагрева в электролите для пайки, сварки, удаления грата;

- разработан узел нагрева с разделительным экраном для нагрева изделий стержневого типа, свободный от многих недостатков существующих узлов подобного назначения и другие специальные системы и узлы электролитных установок, обеспечивающие соответствующее течение процесса и утилизацию отходов;

- разработана технология стыковой сварки стержней из низкоуглеродистых сталей и некоторых типов инструментальных сталей в электролите, обеспечивающая получение качественных сварных соединений;

- разработана технология удаления грата после стыковой сварки низко-и среднеуглеродистых сталей в электролите с использованием двух схем обработки: ванной и спреерной;

- спроектирован технологический процесс, разработана и внедрена относительно простая и недорогая промышленная полуавтоматическая установка для различных вариантов пайки в электролите изделий стерж-

невого типа из низко- и среднеуглеродистых сталей и их сочетаний с некоторыми инструментальными сталями с использованием трехступенчатого нагрева;

- разработана и внедре