Наукові основи та технічні засоби підвищення продуктивності імпульсного ручного дугового зварювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНа АКАДЕМІя НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

Наукові основи та технічні засоби підвищення продуктивності імпульсного ручного дугового зварювання

Спеціальність 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології”

Пустовойт Сергій Володимирович

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Лєсков Григорій Іларіонович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Размишляєв Олександр Денисович,

Приазовський державний технічний університет, професор кафедри

кандидат технічних наук, доцент

Рижов Роман Миколайович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри

Провідна установа:

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, МОН України, м. Миколаїв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Електричне дугове зварювання є провідним технологічним процесом у виробництві зварних конструкцій. Тому постійно зростаючі вимоги до якості, продуктивності, економічності та екологічній безпеці зварювальних технологій вимагають подальшого удосконалювання існуючих способів дугового зварювання. Розв'язанню цієї задачі присвячено сотні статей, винаходів та монографій. Серед них найбільш відомі роботи Б.Є. Патона, В.К. Лебедєва, І.К. Походні, К.А. Ющенко, І.І. Заруби, І.В. Пентегова, М.М. Савицького, О.Д. Размишляєва, А.М. Болдирєва, В.Н. Селянєнкова, А.М. Рибачука, В.П. Черниша та інших дослідників.

Актуальність теми. Проблема підвищення продуктивності дугового зварювання, яка визначається площею кромок, що зварюють в одиницю часу, зводиться, головним чином, до збільшення глибини проплавлення основного металу, зменшенню зони термічного впливу та ширини шва при збереженні маси розплавленого металу. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є підвищення концентрації потужності в активних плямах дуги різними способами. Серед них можна відзначити такі: радіальне стиснення стовпа дуги магнітним полем для підвищення концентрації потужності та збільшення глибини проплавлення; введення до складу середовища дуги хімічних елементів з більшою спорідненістю до електрона (фтор) і високою теплопровідністю (гелій, водень); створення уздовж вісі дуги газових потоків, які стабілізують її в просторі та справляють газодинамічний вплив на ванну та глибину занурення у зварювальний метал.

Останніми роками розвиваються способи дугового зварювання з імпульсним впливом на рідкий метал зварювальної ванни з метою збільшення глибини проплавлення. Показано, що при дотриманні ряду умов при зварюванні пульсуючою дугою досягається збільшення її проплавляючої здатності та покращення якості зварних швів.

Однак ці способи не мають теоретичної основи та не забезпечені обладнанням для створення оптимальних умов їхнього застосування. Тому існує необхідність розробки основ теорії та технічних засобів реалізації імпульсних способів впливу дуги на ванну та збільшення глибини кратера в ній. зварювальна дуга сталь проплавлення

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукова робота за темою дисертації проводилася відповідно до науково-дослідної роботи Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України: “Розробка експериментальних технологій та устаткування для нових процесів високочастотного та імпульсного зварювання плавленням та у твердій фазі” (шифр 1.6.1.43.4), номер держреєстрації № 0103U006160.

Мета та завдання роботи. Метою дисертаційного дослідження є розробка наукових основ і технічних засобів підвищення продуктивності ручного дугового зварювання при впливі на зону зварювання магнітних полів, у тому числі й імпульсних.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі було поставлено та вирішено такі задачі:

1. Вивчено та систематизовано опубліковані теоретичні та експериментальні дослідження про вплив на технологічні властивості зварювальної дуги різного виду магнітних полів для вибору найбільш раціонального способу підвищення її проплавлювальної здатності.

2. Проаналізовано основні положення квазістатичної моделі зварювальної ванни та експериментальні дані про процеси, які протікають в ній, на основі яких розроблена динамічна модель ванни при зварюванні зануреною дугою.

3. Вивчено вплив власного імпульсного магнітного поля дуги на глибину проплавлення маловуглецевих сталей при ручному дуговому зварюванні.

4. Розроблено технічні засоби для реєстрації коливань зварювальної ванни при зварюванні як стаціонарною, так і пульсуючою дугою, та встановлено їх зв'язок з її проплавлювальною здатністю.

Об'єкт і предмет досліджень. Об'єктом досліджень є спосіб зварювання пульсуючою дугою. Предмет досліджень - ручне дугове зварювання пульсуючою дугою, гідродинамічні процеси в зварювальній ванні, вплив на проплавлювальну здатність дуги електромагнітних впливів.

Методи досліджень. Дисертаційна робота містить у собі комплекс теоретичних та експериментальних досліджень. Методи досліджень базуються на використанні теорії електромагнітного поля та магнітної гідродинаміки. У роботі використано загальноприйняті методики металографічних досліджень зварного шва та пришовної зони. Експериментальні дослідження були проведені за допомогою сучасної вимірювальної апаратури, нового джерела живлення дуги імпульсним струмом та приладу для реєстрації коливань зварювальної ванни.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблена нова динамічна модель зварювальної ванни при зварюванні зануреною дугою, в якій показано, що активна пляма безупинно блукає по передній стінці кратера і відповідно до “принципу мінімуму” розташовується в зоні мінімальної відстані між ванною та електродом. Такий напрямок стовпа дуги, який не збігається з віссю електрода, визначається електричним полем, вплив якого на рух електронів у ньому на порядок більше ніж вплив магнітного поля. В розробленій моделі зварювальної ванни показано, що блукаюча зона максимального тиску дуги, яка знаходиться на передній стінці кратера, сприяє формуванню хвиль рідкого металлу лише в головній частині ванни, які поширюються з деяким загасанням по всьому її об'єму. Доведено, що переміщення рідкого металу з передньої стінки до дна ванни та у хвостову її частину відбувається під дією електромагнітної сили, яка виникає від взаємодії струму, що розтікається у ванні, із власним магнітним полем.

2. В розробленій моделі показано, що глибина проплавления основного металу визначається реактивним тиском на дно ванни струменя плазми, який виникає при зміні його напрямку та кількості руху в цій зоні. Оскільки цей тиск пропорційний квадрату швидкості плазми, яка залежить від щільності струму в електроді, то збільшення глибини проплавления досягається при максимальній щільності.

3. Встановлено, що глибина проплавлення при впливі пульсуючої дуги на зварювальну ванну залежить від частоти імпульсів струму. В діапазоні від нуля до 10 Гц ця залежність має вигляд нормального розподілу. Максимальний ефект збільшення проплавлювальної здатності дуги спостерігається при частоті імпульсів струму яка дорівнює частоті власних коливань ванни, при так званому “резонансі”, коли утворюються найсприятливі умови для передачі енергії дуги зварювальній ванні. Якщо ці частоти відрізняються більш ніж на 25%, то пульсуючий режим горіння дуги не має помітного впливу на її проплавлювальну здатність.

Практична цінність отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Запропонований аналіз впливу магнітних полів на технологічні властивості дуги дає можливість технологам зварникам оперативно вибирати ці впливи для досягнення практичних результатів зварювання.

2. Запропонована динамічна модель ванни дозволить технологам обґрунтовано вибирати умови зварювання з максимальною ефективністю.

3. Розроблений прилад для реєстрації коливань зварювальної ванни дозволить без постановки великої кількості експериментів знайти небхідні умови для зварювання в режімі “резонанса”, які забезпечують максимально можливе збільшення глибини проплавлення.

4. Запропоновано спосіб модернізації випрямлячів типу ВДУ при додатковій установці в електричну схему фазового керування блоку модулятора, що дозволяє виконувати зварювання як стаціонарною дугою, так і забезпечити ефективне зварювання пульсуючою дугою в режимі “резонансу”.

5. Використання пульсуючого режиму горіння дуги при ручному дуговому зварюванні електродами УОНИ13/55 діаметром 5 мм в умовах “резонансу” при частоті імпульсів струму яка дорівнює 3,1 Гц та середньому струмі 200220 А, дозволяє збільшити глибину проплавлення основного металу та підвищити продуктивність зварювання.

Особистий внесок здобувача. У наукових статтях, опублікованих у співавторстві, авторові дисертації належить: у роботі [1] системний аналіз експериментальних досліджень про вплив магнітних полів на технологічні властивості дуги, розробка методики розрахунку силового впливу конічної зварювальної дуги; у роботі [3] аналіз експериментальних даних та існуючих уявлень про процеси, які протікають у зварювальній ванні, та розробка її динамічної моделі; у роботі [7] створення приладу для реєстрації коливань ванни; аналіз результатів дослідження впливу частоти імпульсів струму на проплавлювальну здатність дуги.

Апробація результатів дисертації: основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на Iй Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2224 травня 2001 р.); на Міжнародній конференції “Зварювання та споріднені технології 2002” (Київ, 2226 квітня 2002 р.); на IIй Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2527 червня 2003 р.).

Публікації: основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 4 статтях у фахових журналах та 3 тезах доповідей наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, додатків. Роботу викладено на 161 сторінці машинописного тексту, з яких 116 сторінок основного тексту, малюнків 58 од. (10 сторінок), таблиць 4 од. (2 сторінки), список використаних джерел, який містить 152 найменування (14 сторінок), 2 додатків (19 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульовано мету та завдання роботи, відзначено наукову новизну, наведено дані про практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі наведено системний аналіз експериментальних даних про вплив на технологічні властивості зварювальної дуги магнітних полів, які діють у зоні зварювання.

Ці поля поділені на три групи: 1) власні магнітні поля, які утворюються струмом дуги та електрода; 2) випадкові магнітні поля, створювані намагніченістю близько розташованих до дуги тіл або струмами в них; 3) накладені на дугу керовані магнітні поля з метою впливу на її технологічні властивості.

Власне магнітне поле дуги та співвісного з нею електрода впливає на носії струму в стовпі дуги та викликає його стиснення, яке підвищує концентрацію потужності та тиск газу в ній. Використання власних імпульсних магнітних полів при зварюванні пульсуючою дугою дозволяє збільшити глибину проплавлення основного металу. Максимальний ефект спостерігається при частотах імпульсів струму близьких до частоти f_c власних коливань зварювальної ванни. Встановлено, що для визначення частоти f_c технічні засоби поки не розроблені, а це ускладнює вибір оптимальних режимів зварювання пульсуючою дугою.

Випадкові магнітні поля розглядаються як перешкода, без усунення якої неможливе магнітне керування дугою, оскільки вони впливають на дугу у вигляді, так званого “магнітного дуття”, відхиляють її від стику та сприяють утворенню непровару. Описано методи та пристрої для усунення таких магнітних полів.

Показано, що цілеспрямоване керування технологічними властивостями зварювальної дуги досягається за допомогою накладених на дугу керованих магнітних полів. Їх застосування дозволяє керувати проплавлювальною здатністю дуги, підвищити стабільність процесу зварювання, збільшити швидкість плавлення електрода, змінювати структуру зварних швів, здійснювати зварювання у всіх просторових положеннях.

Відзначено, що подальшого вивчення вимагають процеси, що протікають у зварювальній ванні при впливі власних імпульсних магнітних полів, оскільки основними силами, що викликають рух металу в ній, є електромагнітні сили, які виникають від взаємодії струму, який розтікається у ванні, із власним магнітним полем; а також необхідність розробки технічних засобів для підвищення продуктивності дугового зварювання.

У другому розділі представлено основні положення розробленої динамічної моделі зварювальної ванни при зварюванні зануреною дугою.

Показано, що існуючі експериментальні дані та гіпотези про гідродинамічні процеси, які протікають у ванні, узагальнені у вигляді її квазістатичної моделі. В основі якої лежить уявлення про осьову симетрію діючих на ванну сил та тисків, обумовлених розташуванням активної плями дуги на дні кратера. У ній найбільш повно розглянуті електромагнітні сили, які викликають тиск дуги при вісісиметричному розтіканні струму. Вважається, що плавлення передньої стінки ванни відбувається під дією випромінювання стовпа дуги, а енергія, яка виділяється в її активній плямі не призводить до поглиблення кратера. Це обумовлено наявністю під плямою прошарку рідкого металу з низькою теплопровідністю. Однак у роботі академіка Походні І.К. показано, що швидкість плавлення дротового електрода над його активною плямою не залежить від товщини рідкого прошарку. Осьова симетрія тисків повинна була б викликати рух розплаву ванни в усіх напрямках. Відзначено, що процеси плавлення передньої стінки та сили, які діють на рідкий метал та викликають його рух по ній до хвостової частини ванни, у цій моделі не проаналізовані.

З урахуванням розподілу потужності дуги по передній стінці кратера оцінено час перебування активної плями на кожнім елементі поверхні цієї стінки. При сталому режимі кожен її елемент перетином ds (рис.1) одержує від дуги в середньому однакову потужність dq. Оскільки дуга із середньою концентрацією потужності в плямі нагріву _п безупинно блукає по передній стінці з періодом ф, знаходячись на кожному її елементі площею df протягом часу t, то одержуємо: . На всі елементи перетином ds діє дуга з однаковими характе-ристиками (dq, ф, е_п), а df=dssinц:

. (1)

З рівняння (1) видно, що блукаюча пляма практично не перебуває на самому нижньому елементі передньої стінки, де значення кута і sin близькі до нуля, а більший час знаходиться на верхніх її ділянках, для яких ц близький /2. Отже, на дно кратера припадає потік енергії з мінімальною концентрацією потужності, а її максимум ? на верхню його частину.

Показано, що контур струму в зоні зварювання має два елементи які деформуються: стовп дуги та прошарок рідкого металу товщиною _ж (рис.2). Електромагнітна сила F_эм, яка діє на ці елементи, обумовлює деформацію контуру в напрямку зростання його індуктивності L та визначається рівнянням:

.

Збільшення розмірів контуру можливо при зсуві його рухливих частин - стовпа дуги та прошарку рідкого металу вниз, коли крапка А зміщується донизу. Розрахунок індуктивності елемента контуру струму, який зображено на рис.2, при його малих розмірах та відсутності даних про розподіл струму по передній стінці вкрай ускладнений. Однак порядок значення сили F_эм, що діє на прошарок рідини товщиною д_ж зі струмом I_д в активній плямі з центром у крапці А, можна оцінити скориставшись законами Ампера та Біо-Савара:

, (2)

. (3)

Інтегруючи рівняння (3), одержуємо напруженість магнітного поля в крапці А, у випадку коли вона є центром активної плями:

,

де b - відстань від крапки А до вісі електрода.

Показано, що електромагнітна сила, яка діє на прошарок рідкого металу в крапці А, у поперечному перерізі цього прошарку площею 10^-5 м² створює тиск 2500 Па, який перевищує металостатичний тиск ванни p_м=750 Па. Тому ця сила F_эм є основною фізичною причиною, що прискорює рух рідкого металу з передньої стінки в хвостову частину зварювальної ванни, а її величина є достатньою для надання цьому прошарку прискорення, для подолання при її русі вниз сил в'язкості та металостатичного тиску в хвостовій частині ванни. Приведений в роботі аналіз впливу електромагнітної сили F_эм на прошарок рідкого металу в головній частині ванни знімає протиріччя існуючої квазістатичної моделі, яка спирається на гіпотезу про осьову симетрію діючих на ванну сил та тисків.

Оскільки величина F_эм пропорційна квадрату струму дуги I_д, то при його збільшенні рідкий прошарок віддаляється з передньої стінки зі зростаючою інтенсивністю і товщина цього прошарку зменшується. Це приводить до більш інтенсивного її плавлення та збільшення глибини проплавлення основного металу.

Показано, що електродинамічні сили впливають не тільки на рідкий метал, але й на носії зарядів дуги. Електростатична сила (F_э=4,8·10^-16 H), що направляє електрони по осі стовпа, на порядок більше сили Лоренца (F_л=3,5·10^-17 H), яка зміщує їх до вісі електрода. Тому стовп дуги утримується в напрямку електричного поля, тобто мінімальної відстані між ванною та електродом.

На підставі аналізу даних про форму зварювальної ванни, розподілу в ній струму, впливу кута нахилу електрода на глибину проплавлення, а також з урахуванням недоліків квазістатичної моделі ванни розроблена її динамічна модель (рис.3). В якій пляма нагріву дуги безупинно блукає по передній стінці кратера та відповідно до “принципу мінімуму” розташовується в зонах, найбільш наближених до електрода. Усі елементи цієї стінки оплавляються із середньою швидкістю, яка дорівнює швидкості зварювання. Тиск дуги на передню стінку кратера викликає деформації та рух елементів рідкого прошарку на ній. Оскільки тиск є максимальним по вісі стовпа, то рідкий метал розштовхується в усі сторони без прискорення, спрямованого до дна кратера та у хвостову частину ванни. Блукаюча зона максимального тиску сприяє формуванню хвиль лише в головній частині ванни, які поширюються з деяким загасанням по всьому її об'єму.

Спрямований рух рідкого металу в хвостову частину ванни відбувається, відповідно до рівнянь (2) та (3), під дією електромагнітної сили F_эм, яка виникає в магнітному полі струму, що протікає через електрод. Ця сила завжди спрямована до дна кратера.

Показано, що потоки плазми конусної дуги, деформуючись в кратері, створюють газодинамічний напір на всі елементи його поверхні, у тому числі й у донній частині. Вони виникають під дією осьової складової електромагнітної сили F_э, яка дорівнює:

,

де l_д довжина дуги; r_э діаметр електрода; кут при вершині конусної дуги.

Зі збільшенням кута при вершині конусного стовпа дуги зростає газодинамічний напір на ванну.

Для рівноваги зварювальної ванни в крапці С повинен бути тиск:

,

де v_ж швидкість руху рідкого металу; с щільність металу.

Цей тиск р_с на дно кратера, де перебування активної плями малоймовірно, є реактивним, який утворюється силою F_р, що діє у вертикальній площині (див. рис.3) та виникає при зміні напрямку та кількості руху потоку плазми , та є достатньою для зрівноважування максимального металостатичного тиску ванни. Оскільки та кут між і дорівнює , то:

,

де с_п та v_п - щільність та швидкість плазми дуги; S_п площа перетину струменя.

Реактивний тиск плазми на нижню частину кратера залежить від квадрата її швидкості, тому він тісно пов'язаний із щільністю струму в електроді. Чим вище ця щільність, тим більше кут при вершині стовпа дуги, швидкість плазми в конусі та створюваний нею тиск. При цьому рівновага ванни стає можлива при більшій глибині проплавлення.

При зварюванні пульсуючою дугою, коли на основний струм накладаються імпульси низької частоти, стає можливим збільшення її проплавлювальної здатності. Максимальний ефект спостерігається при частоті імпульсів струму (f_т) яка дорівнює частоті власних коливань зварювальної ванни (f_c). Для визначення f_c найчастіше використовують модель “натягнутої мембрани”. Необхідність знання величин маси, радіуса, температури, а також в'язкості та поверхневого натягу, які мають нелінійні характеристики, не дозволяє з необхідною точністю розрахувати f_c. Тому для експериментального визначення f_c розроблено прилад для реєстрації коливань зварювальної ванни. В основу його роботи покладено принцип перетворення механічних коливань розплаву ванни в електричні за допомогою п'єзоефекту.

Сигнал знімається з чутливого елемента (ПЭ) , який виготовлено з цирконата титанату свинцю та розміщено в середині датчика (Д), що знаходиться на відстані 5?10 см від зварювальної ванни. Через коаксіальний кабель (К) сигнал подається на один з каналів блоку фільтрів (БФ), на якому співвідношення сигнал/перешкода є максимальним. Далі сигнал надходить на вхід операційного підсилювача У1, зібраного на мікросхемі К553УД1А, що забезпечує посилення корисного сигналу (2000). Для реєстрації сигнал подається на вхід електронного осцилографа.

Осцилограму коливань зварювальної ванни при подачі одиничного імпульсу струму (І_и=350 А) тривалістю 0,1 с наведено на рис.3, б. Імпульсний силовий вплив на неї викликав зсув рідкого металу та наступне повернення його у вихідне положення. Тривалість цих зсувів варто розглядати як період коливань ванни при прийнятому режимі зварювання. До накладення імпульсу та по його закінченні зварювальна ванна випробовувала безперервні сталі коливання із частотою пульсацій випрямленого струму.

У третьому розділі описано модернізацію випрямляча ВДУ504 з метою створення імпульсів струму з амплітудою до 500 А та частотою до 10 Гц.

Модернізацію випрямляча здійснено шляхом додаткового установлення в його електричну схему блока модулятора, який складається з генератора імпульсів, зібраного за схемою симетричного мультивібратора на транзисторах VT1 та VT2, електронного ключа VT3 та шунтуючого резистора R33 (рис.4). Блок виготовлено на окремій платі та підключено до електричної схеми ВДУ?504 у крапках a, b та c.

Величина струму I_д, який протікає в зварювальному ланцюзі, у випрямлячі ВДУ504 визначається величиною напруги завдання U_з (), яку знімають зі змінного резистора R10. Додаткове періодичне підключення до нього, за допомогою електронного ключа VT3, шунтуючого резистора R33, дозволяє генерувати в схемі фазового керування випрямляча імпульси напруги завдання U_з необхідної величини та частоти, а також одержати для живлення дуги імпульсний струм, зі значеннями I_дmin та I_дmax.

У роботі наведені рівняння для визначення I_дmin та I_дmax за допомогою величин опорів резисторів R10 і R33, та складена таблиця їх значень при різних положеннях движків зазначених резисторів.

Регулювання частоти імпульсів здійснюється за допомогою наборів резисторів (R36, R38R42) та (R43R48). Зміною величини опору резистора R37 виробляються малі добавки до частот на кожній ступені. Для регулювання шпаруватості імпульсів використовується резистор R34.

З метою усунення електромагнітних наведеннь на високочутливі ланцюги баз транзисторів у схему блока модулятора уведені конденсатори С_т ємністю 0,1 мкф.

Модернізований випрямляч ВДУ504 можна використовувати при зварюванні як стаціонарною, так і пульсуючою дугою.

У четвертому розділі наведено аналіз результатів дослідження електромагнітних впливів на глибину проплавлення при ручному дуговому зварюванні пульсуючою дугою.

При проведенні експериментів робили наплавлення на пластини зі сталі ВСт3 розміром 220х200 мм товщиною 12 мм. В якості присадного металу використовували промислові електроди УОНИ13/55 діаметром 5 мм. Електрод подавали вручну без коливальних рухів.

В якості джерела живлення імпульсної дуги використовували модернізований випрямляч ВДУ504. При проведенні експериментів по наплавленню пульсуючою дугою на різних режимах потужність дуги зберігали незмінною. Змінювали тільки частоту імпульсів струму.

Зміни струму та напруги на дузі при зварюванні пульсуючою дугою мають складний характер, тому що залежать від стану дугового проміжку. Короткочасні зміни електричних параметрів дуги в процесі її пульсації показують, що при наплавленні відсутні короткі замикання дугового проміжку. Дуга на протязі циклу наплавлення залишається стабільною та безперервною, незважаючи на досить велику амплітуду зміни зварювального струму.

Встановлено, що при зварюванні пульсуючою дугою період основних коливань зварювальної ванни дорівнює періоду імпульсів зварювального струму. Розроблений прилад дозволяє реєструвати зміни амплітуди та частоти коливань всієї зварювальної ванни та її елементів.

Показано, що на геометричні розміри шва та його мікроструктуру впливає частота пульсацій режимів наплавлення. Макроструктурний аналіз шліфів, вирізаних із середньої частини пластини, показав, що при однаковій погонній енергії на збільшення глибини проплавлення основного металу впливає частота проходження імпульсів струму.

Підтверджено, що найбільша глибина проплавлення спостерігається при частоті імпульсів струму, близької до частоти вільних коливань зварювальної ванни, тобто при так званому “резонансі”. Відзначено, що якщо значення частот відрізняються одне від одного більш ніж на 25%, то такі пульсації дуги не мають помітного впливу на збільшення глибини кратера.

Встановлено, що застосування пульсуючої дуги дозволяє збільшити глибину проплавлення на 25-30% при незмінній потужності дуги.

Показано вплив частоти проходження імпульсів струму на зовнішній вигляд шва. При частотах менше 1 Гц зварний шов має грубу форму лускатості. Підчас імпульсу розплавляється великий об'єм металу передньої стінки кратера, який інтенсивно переміщується в хвостову частину, а потім кристалізується. Зі збільшенням частоти імпульсів струму лускатість шва зменшується.

При базовому горінні дуги зменшується її тиск на ванну, внаслідок чого рідкий метал, який не закристалізувався, переміщується із хвостової частини ванни в головну (рис.8, в). Такий рух розплаву з періодом Т під дією пульсуючої дуги характеризує її вільні коливання та сприяє інтенсивному перемішуванню рідкого металу.

Для виявлення впливу пульсацій дуги при ручному дуговому наплавленні електродами УОНИ 13/55 на макро- і мікроструктуру металу шва та околошовної зони проведені металографічні дослідження, а також мікроструктурний аналіз наплавлених валиків.

Мікроструктуру ділянки великого зерна ЗТВ вивчали на оптичному мікроскопі “Неофот-32” після травлення полірованих зразків у розчині ніталя та при візуальному порівнянні з еталонними шкалами за ГОСТ 5639-82 визначали бал аустенітного зерна.

При наплавленні стаціонарною дугою на обох полярностях структура ділянки великого зерна ЗТВ складається переважно із зерен з розміром відповідним 3 балу, а також зустрічаються більш великі зерна розміром - 2 балу. З ростом частоти пульсацій дуги (рис.9, б, в) спостерігається здрібнювання структури досліджуваної ділянки ЗТВ, у якій вже зустрічаються зерна з розміром відповідним 4 балу, і при її подальшому збільшенні їхня кількість збільшується. Найбільший ефект здрібнювання структури розглянутої ділянки ЗТВ стає можливим при частоті імпульсів струму близької до “резонансної”, яка дорівнює 3,1 Гц. Розмір більшої частини зерен, при наплавленні в такому режимі, відповідає 5 балу, а також рідко зустрічаються зерна з розмірами 4 і 6 балів (рис.9, г). Оскільки структура ділянки великого зерна ЗТВ у цьому випадку виходить дрібнозерниста, а на розмір аустенітного зерна впливає тривалість перебування його при температурі понад 1000С, то при наплавленні з частотою 3,1 Гц метал цієї ділянки є нагрітим понад зазначену температуру мінімальний час.

Встановлено, що при наплавленні пульсуючою дугою на прямій полярності електродами УОНИ_13/55 у режимі т.зв. “резонансу” спостерігається найбільше здрібнювання структури ділянки великого зерна ЗТВ.

Для виявлення у шві й околошовній зоні мікрохімічної і структурної неоднорідності використовували методику травлення полірованих зразків у пікраті натрію. В усіх досліджуваних зразках структура ЗТВ складається з однакових складових, однак їхні кількісні співвідношення і морфологія залежать від частоти пульсацій дуги. При імпульсному її впливі на метал ЗТВ зменшується вміст виділень фериту по типу Відманштетта, які характеризуються крупногольчастою орієнтованою мікроструктурою, та доевтектоідного ферита. Кількість Відманштеттова ферита у мікроструктурі ЗТВ мінімальна при наплавленні пульсуючою дугою електродами УОНИ 13/55 у режимі “резонансу”, оскільки аустенітні зерна на ділянці великого зерна ЗТВ є найбільш здрібненими.

Показано, що інтенсифікація гідродинамічних процесів у зварювальній ванні, що досягається при зварюванні пульсуючою дугою, сприяє зміні умов її кристалізації та поліпшенню умов для видалення газових пор та вкраплень з розплаву. На макрошліфах, вирізаних із середньої частини наплавлених валиків, видно, що зі збільшенням частоти пульсацій дуги зменшуються розміри та кількість неметалевих вкраплень у шві. Найменша їхня кількість спостерігається при частоті близької до “резонансної” (рис.10), у цьому випадку метал значно чистіший від вкрапленнь та пор.

Незалежно від способу наплавлення в металі шва присутні острівці мартенситно-аустенітно-карбідної складової (Мак-фаза), які мають округлу чи кутасту форму. Ці виділення Мак-фази розташовуються у шві у вигляді дрібних самостійних ділянок.

Виділення Мак-фази в шві у вигляді великих округлих ділянок на досліджуваних мікрошліфах, отриманих при наплавленні стаціонарною дугою на обох полярностях, нерівномірно розташовані по всьому об'єму (рис.11, а). Особливості термічного циклу при зварюванні пульсуючою дугою сприяють збільшенню дисперсності Мак-фази (рис.11, б) та її рівномірному розподілу. Висока дисперсність та мала кількість Мак-фази, отримана при частоті пульсацій дуги, яка дорівнює 3,1 Гц, свідчить про те, що розпад залишкового аустеніту відбувався при більш низьких температурах.

Загальні висновки

1. Відома квазістатична модель ванни, в основу якої покладене уявлення про осьову симетрію в ній теплових і електромагнітних впливів, не погоджується з експериментальними даними про рух рідкого металу. Показано, що плавлення передньої стінки виробляється енергією, яка виділяється в активній плямі, а не за рахунок випромінювання стовпа дуги. При цьому на відміну від квазістатичної моделі, у якій зона максимального тиску розташовується на дні зварювальної ванни, згідно наших досліджень, при зварюванні зануреною дугою ця зона припадає на її передню стінку.

2. При зварюванні зануреною дугою вісь її стовпа, як правило, не збігається з віссю електрода. Напрямок стовпа визначається електричним полем між передньою стінкою ванни та електродом, оскільки електростатична сила, яка направляє електрони уздовж вісі стовпа дуги та дорівнює F_э=4,8·10^-16 H, на порядок більше сили Лоренца (F_л=3,5·10^-17 H).

3. З урахуванням розподілу потужності дуги по передній стінці ванни оцінений час перебування активної плями на кожному елементі цієї стінки та встановлено, що пляма дуги безупинно переміщується на верхніх ділянках стінки, які є найбільш наближеними до електрода.

4. У запропонованій динамічній моделі ванни показано, що переміщення рідкого металу з передньої стінки до дна кратера та у хвостову її частину відбувається під дією електромагнітної сили, яка виникає від взаємодії струму, що розтікається у ванні, із власним магнітним полем дуги. Ця сила завжди спрямована до дна кратера. Оскільки її величина пропорційна квадрату струму, то при його зростанні до 350 А рідкий прошарок віддаляється з передньої стінки з більшою швидкістю, а його товщина не перевищує 1 мм. Це приводить до інтенсивного плавлення передньої стінки кратера та збільшенню глибини проплавлення.

5. Глибина кратера та проплавлення основного металу визначаються реактивним тиском струменя плазми на дно ванни, який пропорційний її квадрату швидкості. При цьому збільшення глибини проплавлення стає можливим при максимальній щільності струму в електроді, яка дорівнює 18 А/мм².

6. При впливі пульсуючої дуги на зварювальну ванну, при ручному дуговому зварюванні, глибина проплавления залежить від частоти імпульсів струму. При цьому максимальний ефект збільшення проплавлювальної здатності дуги спостерігається при частоті імпульсів струму від 2,4 Гц до 3,8 Гц, близької до частоти вільних коливань ванни, при так званому “резонансі”.

7. Необхідну для досягнення умов “резонансу” частоту імпульсів струму на джерелі живлення встановлювали по періоду вільних коливань зварювальної ванни, отриманих при дії на неї одиночного імпульсу струму.

8. Використання пульсуючого режиму горіння дуги при ручному дуговому зварюванні електродами з основним покриттям УОНИ 13/55 діаметром 5 мм в умовах “резонансу” при частоті імпульсів струму, яка дорівнює 3,1 Гц, у порівнянні зі зварюванням стаціонарною дугою, і при середньому струмі 200-220 А, дозволяє збільшити глибину проплавления основного металу до 5 мм та підвищити продуктивність зварювання.

9. У діапазоні частот від 0 до 10 Гц залежність глибини проплавления основного металу від частоти імпульсів струму має вид нормального розподілу. Якщо частоти імпульсів струму і власних коливань зварювальної ванни відрізняються друг від друга більш ніж на 25%, то імпульсний процес горіння дуги не справляє помітного впливу на глибину кратера.

10. Для випрямлячів типу ВДУ розроблен блок модулятора, який встановлюється в схему фазового керування та дозволяє виконувати зварювання як стаціонарною, так і пульсуючою дугою в режимі “резонансу”.

основні Публікації за темою дисертації

1. Пустовойт С.В., Лесков Г.И. Совершенствование дуговой сварки электромагнитными методами. // Автоматическая сварка - 2000. - №1. - C.39 - 42.

2. Пустовойт С.В. Модернизация сварочного выпрямителя ВДУ-504 // Автоматическая сварка. - 2000. - №11. - с.48 - 50.

3. Лесков Г.И., Пустовойт С.В. К вопросу построения динамической модели сварочной ванны при электродуговой сварке // Автоматическая сварка. - 2001. - №1. - с.11 - 15.

4. Лесков Г.И., Пустовойт С.В. О влиянии частоты импульсов тока при сварке пульсирующей дугой // І Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”: Тези доповідей. - К.: ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ. - 2001.- С.14-15.

5. Лесков Г.И., Пустовойт С.В. Гидродинамические процессы в сварочной ванне при сварке погруженной дугой // Сварка и родственные технологии 2002 (История. Достижения. Перспективы.) (Бенардосовские чтения): Материалы международной конференции. (г. Киев, Украина, ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, 22-26 апреля 2002 г.) - К.: УИЦ “Наука. Техника. Технология”.- 2002.- С.11.

6. Пустовойт С.В. Реєстрація коливань, які здіснюються зварювальною ванною при зварюванні пульсуючою дугою // ІІ Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”: Тези доповідей. - К.: ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ.- 2003.- С.19.

7. Лесков Г.И., Пустовойт С.В. Прибор для регистрации колебаний сварочной ванны // Автоматическая сварка. - 2004. - №3. - с.53 - 55.

АНОТАЦІЯ

Пустовойт С.В. Наукові основи та технічні засоби підвищення продуктивності імпульсного ручного дугового зварювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології. - Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2006 р.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню продуктивності дугового зварювання за допомогою застосування електромагнітних методів. Дисертація містить системний аналіз теоретичних та експериментальних досліджень впливу магнітних полів на проплавлювальну здатність зварювальної дуги. Розроблено основні положення динамічної моделі зварювальної ванни при зварюванні зануреною дугою. Доведено, що активна пляма блукає по передній стінці та зрідка перебуває на дні кратера. Показано, що вісь стовпа дуги при зварюванні зануреною дугою не збігається з віссю дротового електрода і її напрямок, головним чином, визначається електричним полем між ванною та електродом. Доведено, що переміщення рідкого металу з передньої стінки здійснюється під дією сили Ампера. Показано, що глибина кратера у ванні визначається зміною кількості руху плазми в його основі. Для реєстрації коливань зварювальної ванни розроблено прилад, в основу роботи якого покладений принцип перетворення механічних коливань, здійсненних рідким металом ванни, в електричні за допомогою п'єзоефекту. Розроблено спосіб модернізації випрямляча типу ВДУ, який дозволяє одержати пульсуючий режим горіння зварювальної дуги.

Ключові слова: електрична зварювальна дуга, гідродинамічні процеси в зварювальній ванні, керуючі магнітні поля, зварювання пульсуючою дугою, коливання зварювальної ванни, спосіб модернізації випрямляча ВДУ-504.

Пустовойт С.В. Научные основы и технические средства повышения производительности импульсной ручной дуговой сварки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - Сварка и родственные технологии. - Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев, 2006 г.

диссертационная работа посвящена повышению производительности дуговой сварки с помощью применения электромагнитных методов. Диссертация содержит системный анализ теоретических и экспериментальных исследований воздействия на проплавляющую способность сварочной дуги магнитных полей. Диссертационная работа содержит результаты теоретических исследований гидро- и магнитогидродинамических процессов в сварочной ванне, влияющих на образование ее кратера и потоков жидкого металла в ней, которые обобщены в виде динамической модели сварочной ванны при сварке погруженной дугой.

Характер распределения мощности дуги в кратере ванны показывает, что активное пятно и окружающее его пятно нагрева непрерывно блуждают по передней стенке и изредка находятся на дне кратера. Показано, что ось столба дуги не совпадает с осью электрода и его направление определяется, главным образом, электрическим полем между электродами, воздействие которого на движение электронов в столбе на порядок больше силы Лоренца. Поэтому активное пятно на свариваемом изделии располагается в зонах, наиболее приближенных к электроду.

Основной силой, вызывающей движение жидкого металла с передней стенки кратера в хвостовую часть, является электромагнитная сила, возникающая от взаимодействия растекающегося впереди дуги тока с собственным магнитным полем. Эта сила всегда направлена ко дну кратера, а ее величина зависит от тока дуги и угла наклона электрода к изделию.

Показано, что поток плазмы конусной дуги создает скоростной напор на все элементы его поверхности, при этом глубина кратера определяется не только глубиной проплавления основного металла, но и изменением количества движения плазмы в его основании.

В диссертационной работе приведено описание прибора для регистрации колебаний сварочной ванны, принцип работы которого основан на преобразовании механических колебаний, совершаемых расплавом, в электрические с помощью пьезоэффекта. Созданный прибор позволяет получить осциллограммы колебаний ванны при импульсном воздействии на нее дуги и оперативно находить условия “резонанса”.

Разработан способ модернизации выпрямителя типа ВДУ. При установке в его электрическую схему блока модулятора можно получить дополнительно пульсирующий режим горения дуги и, соответственно, расширить его технологические возможности. Приведенный в работе алгоритм расчета основных элементов блока модулятора позволит заинтересованным предприятиям провести такую модернизацию собственными силами для внедрения в производство способа сварки пульсирующей дугой, имеющего ряд преимуществ, по сравнению со сваркой стационарной дугой.

Диссертационная работа содержит результаты экспериментальных исследований импульсных электромагнитных воздействий на глубину проплавления при ручной дуговой сварке. Установлено, что проплавляющая способность дуги существенно зависит от частоты следования импульсов тока. Максимальный эффект наблюдается при частотах импульсов тока близких к частоте свободных колебаний сварочной ванны, т.е. при так называемом “резонансе”. Применение пульсирующей дуги при ручной дуговой сварке позволяет увеличить глубину проплавления на 20-25% без повышения погонной энергии.

Ключевые слова: электрическая сварочная дуга, гидродинамические процессы в сварочной ванне, управляющие магнитные поля, сварка пульсирующей дугой, колебания сварочной ванны, способ модернизации выпрямителя ВДУ-504.

Pustovoit S. V. Scientific fundamentals and hardware components of productivity increase of pulsed manual arc welding. - Manuscript

The thesis for a scientific degree of Cand. Sci. (Eng.) on speciality 05.03.06 - Welding and related technologies. - E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Kiev, 2006.

The thesis is devoted to productivity increase of arc welding by application of electromagnetic methods. The thesis contains the systems analysis of theoretical and experimental research of magnetic field action on penetrability of a welding arc. Main principles of dynamic model of the weld pool are developed in welding by an immersed arc. It is proved that the active spot wanders on the front wall and occasionally is at the bottom of the crater. It is shown, that the axis of an arc column does not coincide with the axis of the wire electrode and its direction, primarily, defines an electric field between electrodes. It is proved, that transport of liquid metal from the front wall is carried out by the Ampere force. It is shown, that depth of a crater in the pool is determined by change of a momentum of plasma at its base. An instrument was developed for recording the pool oscillations, the operation of which is based on the principle of transformation of the mechanical oscillations of liquid metal of the pool into electrical oscillations using piezoelectric effects. A method of remodeling VDU-504 rectifier is developed providing a pulsed arcing mode. The thesis contains results of studying the pulsing electromagnetic actions on the depth of penetration in manual pulsed-arc welding.

Keywords: electric welding arc, hydrodynamic processes in a weld pool, driving magnetic fields, pulsed-arc welding, weld pool oscillations, method of remodeling VDU-504 rectifier.

Размещено на Allbest.ru

...