Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.791.753:691

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Керування процесом перенесення електродного металу застосуванням імпульсних електромагнітних дій при дуговому зварюванні

Спеціальність 05.03.06 - "Зварювання та споріднені

процеси і технології"

Сидоренко Павло Юрійович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", МОН України на кафедрі електрозварювальних установок

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Рижов Роман Миколайович Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", доцент кафедри електрозварювальних установок

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Размишляєв Олександр Денисович Приазовський державний технічний університет, професор кафедри „Обладнання і технологія зварювального виробництва”

доктор технічних наук, професор Пентегов Ігор Володимирович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник відділу електротермії

Захист відбудеться "_15_"_листопада_2010 р. о _15_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. 19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитись в науково - технічній бібліотеці ім. Г.І.Денисенка Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37

Автореферат розісланий "_14_"_жовтня_2010 р.

В.О. Вченого секретаря спеціалізованої

вченої ради Д 26.002.15,

професор, д.т.н.________________Кузнецов В.Д.

імпульсний магнітний поле електродний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дугове зварювання плавким електродом характеризується підвищеною продуктивністю та відносно легкою автоматизацією процесу чим пояснюється його широке використання у промисловості При застосуванні даного способу зварювання існують проблеми підвищення якості зварних з'єднань, зменшення втрат електродного металу на розбризкування. Їх поява в значній мірі залежить від параметрів перенесення електродного металу, що суттєво впливають на технологічні можливості способу зварювання, металургійні реакції в зоні плавлення, механічні та інші властивості зварного з'єднання.

Існуючі способи керування масопереносом через свої технологічні обмеження (що до зменшення сил, які протидіють масопереносу, випаровування легкоплавких складових дроту імпульсами зварювального струму і низькі динамічні властивості спеціалізованих механічних пристроїв) не в повній мірі усувають проблеми нестабільності процесу перенесення електродного металу, його втрат на розбризкування. Розбризкування в свою чергу погіршує декоративну якість поверхні виробів та спричинює додаткові затрати на їх обробку. Коли традиційних способів недостатньо, одним із варіантів вирішення цих задач є використання додаткових імпульсних дій.

Підвищені вимоги щодо показників якості швів та працездатності зварних конструкцій обумовлюють часте використання при зварюванні електромагнітних дій (ЕМД), що характеризуються технологічною гнучкістю пов'язаною з їх безконтактністю, не інерційністю та динамічними властивостями.

Розроблені у попередні роки технологічні процеси з ЕМД на основі аксіальних низькочастотних магнітних полів успішно застосовували при зварюванні плавким електродом під флюсом. Проте використання даних електромагнітних дій при зварюванні у захисних газах не набуло поширення із-за підвищених втрат металу через розбризкування, обумовленого дією на краплі відцентрових сил, що виникають при їх обертанні на торці електроду.

Електромагнітні дії на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів мають свої особливості, що суттєво відрізняє їх від інших електромагнітних дій.

Для їх реалізації необхідно забезпечувати максимально вертикальний фронт імпульсів керуючих магнітних полів, причому тривалість імпульсів не перевищує 0,15мс. Дані ЕМД успішно застосовували для дозованого перенесення припою при дуговому паянні і підвищення опору швів гарячим тріщинам при TIG зварюванні. Однак досвіду вживання зазначених імпульсних ЕМД при дуговому зварюванні плавким електродом на даний момент не існує.

Підвищення ефективності дугового зварювання та поліпшення якості швів досягається удосконаленням старих та розробленням нових способів керування перенесенням електродного металу. Тому актуальним є проведення комплексу досліджень застосування імпульсних електромагнітних дій при дуговому зварюванні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідницька робота за темою дисертації проводилась на кафедрі електрозварювальних установок Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" МОН України у відповідності з науково-дослідницькою темою №2993 “Наукові основи формування наплавлених шарів з мінімальним тепловнесенням” (номер держреєстрації 0106U007331). Дисертантом проведено аналіз можливості застосування імпульсних електромагнітних дій при дуговому зварюванні плавким електродом.

Мета та задачі дослідження. Удосконалення дугових способів зварювання плавким електродом застосуванням зовнішніх електромагнітних дій на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів для поліпшення якості швів.

У відповідності до поставленої мети вирішувались наступні задачі:

Ш Визначення діапазону параметрів імпульсних керуючих магнітних полів для керування процесом перенесення електродного металу із врахуванням теплофізичних властивостей зварних матеріалів;

Ш Удосконалення методики оптимізації параметрів імпульсних керуючих магнітних полів;

Ш Дослідження технологічних можливостей імпульсних електромагнітних дій щодо керування формуванням швів у різних просторових положеннях;

Ш Розробка комплекту спеціалізованого обладнання для зварювання з імпульсними електромагнітними діями.

Об'єкт дослідження - процес перенесення електродного металу при зварюванні плавким електродом з імпульсними ЕМД.

Предмет дослідження - закономірності зміни параметрів масопереносу та формування швів в залежності від характеристик імпульсних керуючих магнітних полів.

Методи дослідження. Основу теоретичних і експериментальних досліджень складають основні положення теорії зварювальних процесів. Експериментальні дослідження проведено у лабораторних умовах на установках зі стабілізованими параметрами режимів зварювання. При дослідженні процесу перенесення електродного металу використовували швидкісну цифрову зйомку. Вивчення процесів формування швів проведені методами оптичної металографії. Для обробки експериментальних даних використовували методи математичної статистики із застосуванням сучасного програмного забезпечення. Математична модель для визначення параметрів імпульсних керуючих полів побудована з застосуванням методу вторинних джерел.

Дослідження процесів, що протікають в розрядному контурі проведено за допомогою моделі побудованої у програмному пакеті Simulink Matlab.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлено, що при зварюванні конструкційних сталей, як суцільним так і порошковим дротом індукція імпульсних магнітних полів повинна знаходитись у діапазоні 0.5ч1.8 Тл, граничні значення якого залежать від фізико-хімічних властивостей матеріалу дроту у розплавленому стані, а частота ЕМД повинна у 1.5ч2 рази перевищувати власну частоту масопереносу у звичайних умовах. При цьому зі збільшенням частоти даних електромагнітних дій діаметр крапель експоненційно зменшується до 25%.

2. Виявлено, що застосування ЕМД на основі імпульсних магнітних полів при зварюванні плавким електродом у різних просторових положеннях дозволяє керувати траєкторією переміщення крапель електродного металу і зменшувати на 37% його втрати через розбризкування.

3. Встановлено, що при зварюванні плавким електродом у різних просторових положеннях з імпульсними ЕМД одночасно з поліпшенням параметрів перенесення електродного металу опуклість шву зменшується на 17ч38%, його ширина збільшується на 11ч15%, при цьому, на відміну від низькочастотних КМП, глибина проплавлення основного металу не зменшується.

4. Виявлено, що при зварюванні плавким електродом з імпульсними ЕМД зі збільшенням частоти масопереносу електродного металу, відповідними змінами площі поверхні зварювальної ванни, вібраційними коливаннями її розплаву пористість швів у прикореневій зоні зменшується до 90%, а біля поверхні шва до 63%.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено новий спосіб керування процесом перенесення електродного металу, що дозволяє зменшити його втрати на розбризкування, зменшити рівень пористості швів та досягти більш симетричного формування їх зовнішньої поверхні при зварюванні у різних просторових положеннях.

Визначені основні вимоги і принципи конструювання апаратних засобів для зварювання з імпульсними електромагнітними діями. Розроблені програмні засоби визначення параметрів імпульсних електромагнітних дій із урахуванням фізико-хімічних властивостей матеріалів та режимів зварювання.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі внесок автора полягає в формулюванні мети і задач досліджень, розробці фізичних і математичних моделей пристроїв генерування зовнішніх імпульсних електромагнітних дій, розрахункових схем для оптимізації їх параметрів і принципів створення спеціалізованого обладнання для їх реалізації. Автором проведені експериментальні дослідження впливу імпульсних електромагнітних дій на: параметри масопереносу; формування швів у різних просторових положеннях; рівень пористості швів. Розроблені рекомендації по використанню імпульсних електромагнітних дій, сформульовані загальні висновки по роботі. Автору також належать положення, що виносяться на захист, які полягають у наступному:

1. Взаємозв'язки частоти перенесення крапель електродного металу і їх діаметрів з амплітудними і частотними характеристиками аксіальних імпульсних керуючих магнітних полів.

2. Закономірності зміни параметрів формування швів при дуговому зварюванні з імпульсними ЕМД у різних просторових положеннях.

3. Розрахункові схеми визначення і оптимізації параметрів імпульсних ЕМД при дуговому зварюванні плавким електродом.

4. Принципові рішення що до створення та оптимізації конструктивних параметрів спеціалізованого обладнання для зварювання з ЕМД на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення і результати роботи доповідались та обговорювались на четвертій та п'ятій Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології”, Київ 2007, 2009 р.; міжнародній науково-технічній конференції “Досконалість зварювання - комплексний підхід” (Київ, НТУУ “КПІ”, 2007р); наукових семінарах кафедри електрозварювальних установок НТУУ „КПІ” 2006-2010 р.

Публікації.

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 робіт, серед яких 5 у провідних наукових фахових виданнях, 1 патент України, 3 у збірниках тез доповідей науково - технічних конференцій.

Структура дисертаційної роботи.

Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел. Робота викладена на 122 сторінках, у тому числі 109 сторінок основного тексту, 42 рисунки та 6 таблиць, список літератури з 111 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтована актуальність її теми, сформульована мета і основні задачі досліджень. Висвітлена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені відомості про особистий внесок дисертанта і апробації результатів роботи.

У першому розділі розроблено класифікацію основних способів керування процесом перенесення електродного металу при дуговому зварюванні, наведено аналіз їх ефективності. За способом реалізації вони поділяються на технологічні методи та імпульсні дії, що в у свою чергу розділяються на три групи: механічні, електричні, магнітні.

Виявлено, що технологічні методи, що ґрунтуються на зміні хімічного складу дроту і захисного газу не в повній мірі зменшують сили, які протидіють масопереносу і потребують сумісного використання з імпульсними діями.

В процесі аналізу особливостей механічних і електричних імпульсних дій також виявлені істотні обмеження їх технологічних можливостей. Для механічних імпульсних дій вони полягають у наявності складних додаткових пристроїв для їх генерування з низькими динамічними властивостями.

Електричні способи керування реалізуються за допомогою апаратних засобів, інтегрованих у багатофункціональні джерела живлення, що обумовлює їх широке застосування у технологіях автоматичного зварювання конструкційних сталей і низьколегованих сплавів. Однак за імпульсно-дугового зварювання їх обмежено використовують при зварюванні середньо і складнолегованих сталей і сплавів, що пояснюється випаровуванням легкоплавких складових дроту імпульсами зварювального струму. До того, через характерні пульсації світлового потоку дуги, імпульсно-дугові технології обмежено використовують при ручному і напівавтоматичному зварюванні. Тому при дуговому зварюванні перспективним є розвиток способів керування масопереносом за допомогою зовнішніх електромагнітних дій (ЕМД).

Серед відомих способів керування масопереносом, електромагнітні дії характеризуються найбільшими технологічними можливостями і гнучкістю через те, що вони є безконтактними, не інерційними та мають кращі динамічні характеристики у зрівнянні із рештою імпульсних дій. ЕМД на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів (КМП) на відміну від низькочастотних КМП не мають недоліків пов'язаних з підвищеними втратами металу на розбризкування, обумовленого дією відцентрових сил (рис.1). Вони засновані на створенні силової дії на краплі розплавленого металу і зварювальну ванну, яка виникає при взаємодії високочастотного поля індуктора з індукованим в їх об'ємах вихровими струмами.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Зазначений спосіб успішно використовували для дозованого перенесення припою при дуговому паянні міддю і бронзою деталей малої товщини (Тарасов М.М. Применение высокочастотного электромагнитного поля для дозированного переноса капель электродного металла / Тарасов М.М., Капустін С.С. - Автоматическая сварка. - 1982. - №8. - С. 10 - 12).

Однак у публікаціях фахових видань не виявлено достатнього об'єму теоретичних і експериментальних розробок для практичної реалізації імпульсних ЕМД при зварюванні. Це обумовлює необхідність проведення комплексу досліджень.



Размещено на http://www.allbest.ru/

У другому розділі наведено результати математичного моделювання імпульсних електромагнітних дій, визначені оптимальні їх параметри для ефективного впливу на процеси переносу електродного металу, та формування швів. Аналіз різноманітних конструктивних схем спеціалізованих пальників, дослідження їх функціональних можливостей, масогабаритних показників і надійності їх роботи показав, що найбільш вдалою є схема, конструкція якої близька до наведеної на рис.2. Вона характеризується використанням корпусних елементів осердя у якості каркасу котушки намагнічування. Для високопродуктивної роботи та зручної заміни витратних елементів спеціалізований індуктор розроблено як соплову частину пальника.

Електромагнітну силу, генеровану імпульсним керуючим магнітним полем (КМП), що діє на краплі розплавленого металу на торці плавкого електроду визначали за формулою:

,

де, r_к.- радіус краплі; с - її питомий опір; і - градієнти індукції магнітного поля. При моделюванні розподілу індукції керуючого магнітного поля у зоні зварювання використовували метод вторинних джерел. Вторинними джерелами магнітного поля вважали фіктивні магнітні заряди із об'ємними () і поверхневими () густинами, які локалізовані у мікро об'ємах осердя електромагнітної системи.

Для спрощення розрахунків магнітопровід умовно розбивали на елементи простої геометричної форми. Сумарну напруженість магнітного поля від N ділянок магнітопроводу індуктора знаходили суперпозицією напруженості магнітних полів котушки намагнічування і всіх ділянок осердя: _.

Напруженість еквівалентного магнітного поля у точці Q дорівнює:

,

де, J(A) - густина струму намагнічування у точці А; r_MQ і r_AQ - вектори, що з'єднують точку Q із точками А і М, у яких знаходяться відповідно первинний і еквівалентний вторинний джерела магнітного поля; V_k і V_м - об'єми відповідно котушки намагнічування і магнітопроводу із загальною площею поверхні S_м.

Густину струму намагнічування в точці А знаходили як: , де , б - коефіцієнт затухання; щ₀ та щ визначаються із залежностей: ; ; .

Густини вторинних джерел визначали із співвідношень:

, , , -

магнітна проникність у точці Q; - одинична нормаль до поверхні осердя.

Підставивши вираз напруженість еквівалентного магнітного поля у співвідношення густини вторинних джерел отримували систему інтегральних рівнянь:

Враховуючи, що у об'ємі краплі рідкої металу відносна магнітна проникність близька до одиниці, індукцію магнітного поля знаходили як .

Для здійснення оптимізації параметрів імпульсного КМП формували залежності, які містять теплофізичні властивості зварювального дроту і електричні параметри режиму зварювання, що впливають на процес його плавлення. Для цього розглядали баланс основних сил, що діють на краплі (рис.3). Відомо, що на розплавлений метал на електроді діють сила поверхневого натягу (F_у), сила тяжіння (F_Т), , електродинамічна сила (Пінч-ефект) (F_ЕД), реактивні сили випарів металу (F_рв) та тиску нейтралізованих у катода іонів (F_рі). Експериментальних даних о величині тиску іонів не виявлено. Тому можна вважати, що їх дія входить як складова в реактивний тиск парів металу, які випаровуються з катоду.



Размещено на http://www.allbest.ru/

В роботах Дятлова, Петрова, показано, що реактивний тиск випарів в значній мірі впливає на процеси перенесення електродного металу та формування шву при зварюванні на прямій полярності. Однак, при зварюванні на оберненій полярності при збільшенні величини струму реактивний тиск випарів монотонно зменшується і є незначним (менший за силу Пінч-ефекту). Враховуючи те, що дугове зварювання плавким електродом ведеться на зворотній полярності, при подальших розрахунках реактивний тиск випарів можна не враховувати.

При зварюванні у нижньому положенні перенесення електродного металу буде відбуватись за умови: . Для їх визначення користувались залежностями: ; ; , де, I_зв- зварювальний струм; і с_к - відповідно магнітна проникність і густина розплаву краплі; V_к - її об'єм; - коефіцієнт поверхневого натягу на границі метал краплі - захисний газ.



Размещено на http://www.allbest.ru/

При моделюванні розглянуто зварювання нержавіючих сталей і алюмінієвих сплавів в аргоні та конструкційних сталей у суміші газів. Виявлено, що в умовах експериментів, електродинамічна сила, порівняно з іншими, найменше впливає на процеси масопереносу електродного металу. У вихідних умовах діаметр крапель не може бути меншим за той, що визначається перетином функцій (F_Т+F_ЕД)(d_кр) і F_у(d_кр) (рис.4). Розрахунки показали, що при зварюванні нержавіючих сталей і алюмінієвих сплавів відділення крапель повинно відбуватись при d_кр=2.6 мм. Додавання до аргону 3 - 5% кисню спричинює зменшення сили поверхневого натягу. Тому для конструкційних сталей діаметр краплі зменшується до 2,5 мм. Застосування імпульсних ЕМД призводить до зміни балансу сил, що діють на краплі. Функції (F_Т+F_ЕД+F_ЕМД)(d_кр) і F_у(d_кр) перетинаються вже при d_кр=1.45; 1.3 і 1 мм відповідно для нержавіючих, конструкційних сталей і алюмінієвих сплавів.

Ефективність керування перенесенням електродного металу за допомогою ЕМД визначається величиною генерованої електромагнітної сили. При цьому на її величину впливають характеристики імпульсного КМП, теплофізичні властивості матеріалу зварювального дроту в розплавленому стані та параметри режиму зварювання, від яких в свою чергу істотно залежать як розміри крапель, так і частота їх переходу у зварювальну ванну.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для реалізації імпульсних електромагнітних дій є необхідність урахування характеристик керуючого магнітного поля (індукції та градієнту індукції). Оптимальний градієнт індукції визначали за залежністю, отриманої з урахуванням балансу сил, що діють на краплі металу:

Встановлено, що із зменшенням радіусу r_к і збільшенням питомого опору розплаву крапель зменшується індукований у їх об'ємах струм. Це призводить до зниження ефективності керування процесом масопереносу. Компенсація негативних змін досягається збільшенням індукції або крутизни переднього фронту імпульсів КМП. Слід зазначити, що із збільшенням діаметру електродного дроту для відриву крапель однакового об'єму необхідні більші градієнти індукції і, відповідно, індукції на торці електроду B_z (рис.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При цьому існує можливість регулювання B_Z у діапазоні 0,5ч1,8Тл, що забезпечує необхідну інтенсивність ЕМД при зварюванні дротом 1,2ч2мм.

Таким чином, максимальний ефект від застосування імпульсних ЕМД досягається при оптимальних значеннях індукції керуючих магнітних полів, які слід призначати із урахуванням заданого діаметра крапель і фізико-хімічних властивостей матеріалу дроту, серед яких основним є питомий опір матеріалу краплі у розплавленому стані. Його зменшенню відповідає пропорційне збільшення силової електромагнітної дії (рис.5). При зварюванні з зазначеними ЕМД для зменшення діаметру крапель електродного металу на 25% необхідне збільшення у 10 разів індукції КМП, що пояснюється зменшенням їх ваги і об'єму розплаву в якому індукується вихровий струм. До того, зі збільшенням діаметру електродного дроту з 1.2ч1.6 мм для відриву крапель однакового об'єму необхідні більші у 3,5ч4 рази індукції КМП, що пояснюється відповідними змінами сили поверхневого натягу.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу параметрів імпульсних електромагнітних дій на процеси перенесення електродного металу, та формування швів у різних просторових положеннях.

Дослідження впливу високочастотних імпульсних ЕМД на параметри перенесення електродного металу здійснювали при дуговому зварюванні плавким електродом в захисних газах (Ar, 82%Ar+18%СО₂ та CO₂) та при зварюванні самозахисним порошковим дротом.

Фіксацію розмірів крапель електродного металу, що відділилися від торця електрода здійснювали за допомогою цифрової камери, використовуючи тіньовий метод зйомки. Параметри режиму зварювання підбирали із умови мінімізації ймовірності появи коротких замикань.

У подальшому після комп'ютерної обробки зображень області дуги визначали розміри крапель і розраховували дисперсію (відхилення розмірів крапель від їх середнього значення, характерне для даної частоти переносу) (рис.7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Встановлено, що застосування імпульсних ЕМД при дуговому зварюванні приводить до зменшення розмірів крапель на 30%. При цьому відбувається зменшення відносно вихідних умов часу росту краплі до заданого об'єму і, як наслідок, покращується теплопередача від дуги до електроду. Це повинно приводити до підвищення продуктивності його плавлення і виключати перегрівання капель. Супутнім ефектом може бути зменшення пор в зварному шві.

Виявлено, що при зварюванні у звичайних умовах розмір крапель, які відділяються від торця електрода може змінюватись у 2 рази. Застосування імпульсних електромагнітних дій приводить до зменшення дисперсії розподілу розмірів крапель при зварюванні в аргоні - на 92%; в суміші (82%Ar+18%СО₂) - на 85% ; в СО₂ - на

74%, для ППТ-9 - на 75%. Найбільше значення дисперсії спостерігали при зварюванні порошковим дротом. Це пояснюється нерівномірним плавленням шихти і оболонки, які мають різні фізико-хімічні властивості та специфікою енергетичного балансу у вильоті електрода.

Також досліджена оцінка впливу високочастотних імпульсних електромагнітних дій на втрати електродного металу на розбризкування. Рівень якого оцінювали коефіцієнтом (ш) чисельно рівним процентному відношенню мас дроту, витраченого відповідно на розбризкування і на формування валика заданої довжини на дослідному зразку.

Відомо, що зварювання у СО₂ характеризується підвищеними втратами електродного металу на розбризкування, що пов'язано з систематичними замиканнями дугового проміжку які супроводжуються вибухами перемичок. При цьому розбризкування металу можливе як з електроду, так і з ванни. Аналогічні результати отримані і в процесі експериментальних досліджень (до 12.3% рис.8).

Застосування імпульсних ЕМД дозволяє зменшити втрати металу для зварювання: в аргоні - на 38 %; для суміші (82%Ar+18%СО₂) - на 43% ; для СО2 - на 32%. Даний ефект пояснюється зменшенням кількості коротких замикань в наслідок зменшення розміру крапель. До того ж, при використанні даних імпульсних дій існує можливість керувати їх переміщенням у зварювальну ванну.

При зварюванні порошковим дротом дослідження проводили на двох режимах, що відрізнялися напругою на дузі. Експерименти показали, що при збільшенні напруги на дузі рівень розбризкування значно зменшується. Це як і у попередньому випадку пов'язано із зменшенням ймовірності появи коротких замикань. Зварювання на пониженій напрузі характеризується нестабільністю процесу перенесення електродного металу і великою дисперсією розподілу їх розмірів. Ймовірно саме з цим пов'язані підвищені втрати на розбризкування. Збільшення частоти досліджуваних ЕМД супроводжувалось експоненціальним зменшенням коефіцієнта втрат електродного металу на розбризкування.

Дугове зварювання неповоротних стиків характеризується труднощами формування швів і нестабільністю процесів перенесення крапель електродного металу в ванну. Так при орбітальному зварюванні ванна в залежності від свого місце розташування існує у всіх просторових положеннях від нижнього до стельового. При зварюванні у стельовому положенні перенесення електродного металу буде відбуватись за умови: . При цьому на відміну від умов зварювання у нижньому положенні сила тяжіння буде не сприяти, а перешкоджати відділенню крапель з торця електроду. Для вирішення даної задачі необхідна корекція балансу сил, що діють на краплі, змінивши напрям дії сили тяжіння та перерахувавши електродинамічну силу в залежності від режиму зварювання. Після чого, з його допомогою визначається оптимальна електромагнітна сила, що необхідна для відділення та перенесення крапель електродного металу при зварюванні у стельовому положенні.

При зварюванні горизонтальних швів на вертикальній площині, що є невід'ємною частиною орбітального зварювання не можливо користуватися даною методикою. Тому дослідження спрямовані на визначення можливості керування за допомогою імпульсних ЕМД траєкторією переміщення крапель електродного дроту проводили експериментальними методами. При зварюванні у такому положенні у звичайних умовах на краплю металу на торці електроду діють сила тяжіння, сила поверхневого натягу та електродинамічна сила. Після відділення краплі, вона переміщується за рахунок наданого їй прискорення електродинамічною силою. При цьому сила тяжіння продовжує діяти на неї. За таких умов величини електродинамічної сили не завжди достатньо для переміщення краплі у зварювальну ванну без її вертикального відхилення ?h (рис.9).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження проводили за методикою, яка передбачала наплавлення швидкорухомим пальником на мідну пластину. Перед зварюванням на пластині проводили базову горизонтальну лінію, положення якої відповідало траєкторії переміщення дуги. Достовірність результатів експериментів, забезпечували підбором режиму зварювання, при якому ймовірність появи коротких замикань є мінімальною. Після наплавлення досліджували сліди застиглих крапель металу. При зварюванні у звичайних умовах спостерігали відхилення крапель металу відносно базової лінії до 4 мм , що пояснюється дією на них сили тяжіння. Застосування імпульсних ЕМД, генерує електромагнітну силу, спрямовану від торця індуктора, яка надає краплям прямолінійної траєкторії переміщення.

Оцінку впливу імпульсних електромагнітних дій на параметри формування швів здійснювали при дуговому зварюванні плавким електродом у різних просторових положеннях. Враховуючи те, що при орбітальному зварюванні ванна в залежності від свого місце розташування існує у всіх просторових положеннях, то досліджували три основні випадки: зварювання у нижньому положенні (а, б); зварювання горизонтальних швів на вертикальній площині (в, г); зварювання у стельовому положенні (д, е) (рис.10).

Виявлено, що застосування імпульсних ЕМД призводить до зменшення опуклості швів при зварюванні: у нижньому положенні на 17%; горизонтальних швів на вертикальній площині на 38%; у стельовому положенні на 24% відносно звичайних умов (рис.10). Найбільше зниження опуклості спостерігали при зварюванні горизонтальних швів на вертикальній площині. Це пов'язано з наступним. У звичайних умовах за рахунок стікання рідкого металу та параболічної трак-торії переміщення крапель у ванну формується максимальне підсилення шва. Застосування імпульсного КМП створює силову дію на розплав, утримуючи рідкий метал в області ванни , перешкоджаючи його стіканню. Крім того, за рахунок керування траєкторії переміщення крапель поверхня шва виходить більш симетричною і плоскою. Внаслідок дії сили в'язкого тертя при даному положенні зварювання рідкий метал менше стікає на відміну від стельового положення.

Експериментальні дослідження показали, що при застосуванні ЕМД спостерігається збільшення ширини швів: на 15% при зварюванні у нижньому положенні; на 11% для горизонтальних швів на вертикальній площині; на 12% при зварюванні у стельовому положенні. Аналогічна тенденція щодо зміни швів спостерігалась і при зварюванні з електромагнітними діями на основі низькочастотних аксіальних КМП. Однак при зварюванні з імпульсними електромагнітними діями спостерігали збереження глибини проплавлення основного металу та збільшення ширини не тільки верхньої, а і нижньої частини швів. Це пояснюється тим, що силова дія на об'єм ванни спричинює відцентровий рух потоків рідкого металу. Які переміщуючись від центру підплавляють бічні поверхні шва тим самим збільшуючи ширину його нижньої частини. Такий перерозподіл об'єму рідкого металу не може не впливати на процеси гідродинаміки зварювальної ванни.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Крім того, в процесі аналізу було виявлено, що збільшення частоти імпульсів КМП призводить до збільшення довжини хвостової частини ванни (рис.11). Це може бути пов'язано із зміною теплового балансу в системі дуга - краплі електродного металу - ванна. Застосування електромагнітних дій призводить до збільшення частоти переносу крапель, тобто в зварювальну ванну

потрапляє з підвищеною частотою більша кількість перегрітих крапель рідкого металу. Внаслідок чого збільшується кількість внесеної у об'єм ванни теплоти. Це підтверджується формою ізотерм кристалізації на зовнішній поверхні швів (рис.11). При таких змінах параметрів формування швів слід очікувати інтенсифікації процесу дегазації і, як наслідок зменшення рівня пористості.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оцінку впливу імпульсних ЕМД на рівень пористості здійснювали аналізом мікроструктур шліфів, виготовлених із зразків отриманих в процесі експериментів. Рівень пористості оцінювали в об'ємах швів, близьких до їх повздовжньої осі. Для можливості здійснення аналізу щодо глибини залягання пор, досліджувану зону, розділяли на ділянки за схемою, наведеною на рис.12.

Після чого, розміри пор та їх кількість на кожній з ділянок визначали за допомогою цифрового металографічного мікроскопа марки ММО-1600АТ.

Виявлено, що в умовах експериментів застосування імпульсних електромагнітних дій повністю пористість швів не усуває. Однак використання ЕМД суттєво зменшує їх розміри та змінює зони їх локалізації.

Рівень пористості оцінювали коефіцієнтом, який чисельно дорівнює відношенню суми площ пор на певній ділянці до площі досліджуваної ділянки шва.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Виявлено (рис.12), що найбільший рівень пористості мають 1 та 2 ділянки шву, через те , що у цих об'ємах зафіксовано розташування великих пор діаметром до 20 мкм. Які внаслідок малого часу існування зварювальної ванни і особливостей кристалізації, не встигають спливти на поверхню. Застосування імпульсних електромагнітних дій при зварюванні зменшує рівень пористості на цих ділянках на 90%. Це відбувається через зниження кількості пор великого розміру, діаметр яких більший за 12 мкм. Крім того, зростає кількість дрібних пор, сумарний об'єм яких незначний, а їх середній діаметр зменшується з 8 до 2мкм. Вони, на відміну від швів, одержаних зварюванням у звичайних умовах, рівномірно розташовані по всіх ділянках шва.

Виявлено, що при зварюванні з ЕМД крупних пор діаметром більше 12 мкм на ділянках біля кореня шва не виявлено. Проте спостерігається їх поява на 6 ділянці. Однак для експлуатаційної надійності зварних конструкцій локалізація пор біля поверхні шва не є критичною. Через те, що у порівнянні з звичайними умовами зварювання їх кількість і рівень пористості менші на 63 %.

Зниження пористості при застосуванні імпульсних ЕМД пояснюється сумісною дією таких чинників. Перший - електромагнітні дії на краплі рідкого металу зменшують насичення їх газами, через скорочення часу їх існування на торці електроду. Другий - застосування електромагнітних дій призводить до збільшення частоти перенесення крапель, що спричинює зміни теплового балансу енергії в системі «дуга - краплі електродного металу - ванна». У наслідок цього відбувається збільшення довжини хвостової часини зварювальної ванни. При збільшенні площі дзеркала ванни значна частина пор встигає спливти на поверхню. Ті, що залишилися, більш рівномірно, ніж у звичайних умовах заповнюють переріз швів. При цьому у верхній їх частині пор завжди більше ніж у кореневій. Це також свідчить про сприяння ЕМД зменшенню пористості швів.

Таким чином, застосування імпульсних ЕМД при дуговому зварюванні дозволяють ефективно впливати на процеси дегазації швів, що проявляється у зменшенні сумарного об'єму пор, їх розмірів, кількості і глибини локалізації. Узагальнені результати експериментальних досліджень свідчать про можливість комплексного поліпшення якості зварних з'єднань завдяки одночасному впливу імпульсних ЕМД на дугу та розплав зварювальної ванни.

У четвертому розділі розглянуто питання технічного забезпечення процесів дугового зварювання з застосуванням імпульсних електромагнітних дій.

Від конструкції високочастотного індуктора залежить такі його параметри, як індуктивність і активний опір. Для визначення впливу параметрів пристрою генерування керуючого магнітного поля на процес перенесення електродного металу досліджено особливості процесів, що протікають в розрядному контурі, який містить накопичувач енергії (конденсатор) та індуктор.

Процес розряду конденсатора на високочастотний індуктор визначає кількість енергії, яка передається розплавленій краплі електродного металу для її відриву від торця електрода. Величина індукції КМП при фіксованій загальній кількості витків котушки намагнічування змінює своє значення в залежності від кількості її шарів. Збільшення кількості шарів котушки намагнічування спричинює практично лінійне зростання індукції керуючого магнітного поля у межах зварювальної ванни. В свою чергу зміна кількості шарів котушки призводить до зміни її індуктивності.

Індуктивність індуктору розраховували за формулою:

Перший інтеграл в даній формулі враховує власну індуктивність котушки, решта інтегралів враховують вплив поля намагніченості магнітопроводу.

Оскільки імпульс магнітного поля створюється розрядом високовольтного конденсатору на обмотку намагнічування індуктора, необхідне визначення динаміки зміни струму намагнічування у функції часу. Для цього було створено модель процесу розряду конденсатора на індуктор в програмному пакеті Simulink Matlab.

Встановлено, що збільшення кількості шарів котушки намагнічування призводить до зменшення величини вихрового струму, що індукується в об'ємі краплі та збільшує час його зростання до максимального значення (рис.13).

Виявлено, що оптимальне співвідношення індуктивності і індукції керуючого магнітного поля спостерігається у випадку, коли обмотка намагнічування має

4 шари (рис.14). При подальшому збільшенні кількості шарів ефективність зменшується. Це пояснюється збільшенням індуктивності індуктора. До того, зафіксовано непропорційне зростання індуктивності і індукції КМП, що у свою чергу пояснюється намагніченістю осердя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким чином, для зменшення втрат енергії в контурі необхідно забезпечувати мінімальну його індуктивність і активний опір. Тобто, розрядний контур повинен мати як можна менші розміри, а з'єднувальні дроти повинні мати значні перерізи і малу довжину.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При розробці апарату керування ЕМД виникає ряд труднощів, що пов'язані з наявністю високої напруги заряду конденсаторів (до 1000В). Це в свою чергу накладає обмеження на клас ізоляційних матеріалів для уникнення електричного пробою та небезпеку для зварників, що будуть використовувати цей апарат. Тому актуальною задачею є зниження напруги заряду конденсаторів без зміни ефективності керування масопереносом за допомогою імпульсних ЕМД. Відомо, що енергія розряду конденсатора визначається за формулою: . Отже для збереження незмінною енергії системи, зменшення напруги супроводжується збільшенням ємності конденсаторів. За допомогою комп'ютерного моделювання досліджували вплив ємності конденсатору і напруги його зарядки на величину і форму імпульсу струму намагнічування (рис.15).

Встановлено, що зменшення напруги на 25% призводить до зменшення величини струму намагнічування на 52% і суттєво збільшує час його зростання до максимального значення.

Таким чином, збільшенням ємності конденсаторів при незмінній енергії системи негативно впливає на ефективність керування процесом перенесення електродного металу.

Технологію дугового автоматичного зварювання з імпульсними електромагнітними діями застосовують при виготовлені легованих сталей з швами складної геометричної форми або неповоротних стиків, та при орбітальному зварюванні. Це дає можливість зменшити втрати електродного металу на розбризкування, формувати шви в усіх просторових положеннях, зменшувати пористість швів.

Для реалізації зварювання з імпульсними ЕМД необхідне спеціалізоване обладнання, в комплект якого входять: високочастотний індуктор, виконаний як соплова частина пальника, апарат керування ЕМД, та блок водяного охолодження.

Функціонально апарат автономного керування імпульсними ЕМД представляє собою корпус виготовлений з ізоляційного матеріалу. Для уникнення наводки високочастотних шумів він має екранування. Всередині корпуса закріплена батарея високовольтних конденсаторів з тиристорними комутаційними блоками та блок керування. Інтерфейс вводу закріплено на зовнішній лицьовій поверхні корпусу. Для зменшення масо габаритних показників джерела живлення винесені окремо і розміщуються на корпусі автоматичної установки для зварювання.

Розроблені технологічні рекомендації щодо їх застосування при дуговому зварюванні плавким електродом. Наведено конструктивні і функціональні схеми обладнання для їх реалізації.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. Необхідність розробки нових способів керування перенесенням електродного металу обумовлена обмеженістю відомих технологічних заходів, що до зменшення сил, які протидіють масопереносу, випаровуванням легкоплавких складових дроту імпульсами зварювального струму і низькими динамічними властивостями спеціалізованих механічних пристроїв.

2. Серед відомих способів керування масопереносом, електромагнітні дії характеризуються найбільшими технологічними можливостями і гнучкістю через те, що вони є безконтактними, не інерційними та мають кращі динамічні характеристики у зрівнянні із рештою імпульсних дій. ЕМД на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів на відміну від низькочастотних КМП не мають недоліків пов'язаних з підвищеними втратами металу на розбризкування, обумовленого дією відцентрових сил.

3. При зварюванні з електромагнітними діями плавким електродом діаметром 1.2ч2 мм для керування масопереносом необхідне генерування у зоні зварювання індукції імпульсного магнітного поля у діапазоні 0.5-1.8 Тл, що призначається в залежності від заданого діаметру крапель і фізико-хімічних властивостей матеріалу дроту. Збільшення його діаметру з 1.2ч1.6 мм при збереженні об'єму крапель потребує збільшення у 3.5ч4 рази індукції керуючого магнітного поля.

4. Застосування імпульсних ЕМД при зварюванні дозволяє зменшити на 25% діаметр крапель відносно вихідних умов, досягти стабілізації їх геометричних розмірів, зменшити на 37% втрати на розбризкування, що свідчить про можливість керування траєкторією переміщення крапель у ванну.

5. Зменшення рівня пористості у прикореневій зоні на 90% і на 63% біля поверхні швів та більш симетричне формування їх зовнішньої поверхні при зварюванні у різних просторових положеннях свідчить про можливість комплексного поліпшення якості зварних з'єднань завдяки одночасному впливу імпульсних ЕМД на дугу та розплав зварювальної ванни.

6. При створенні засобів для реалізації імпульсних електромагнітних дій основними параметрами, що визначають їх ефективність є: активний опір котушки намагнічування, індуктивність індуктору та напруга зарядки накопичувачів енергії, зниження якої на 25% призводить до зменшення величини струму намагнічування у 2 рази з суттєвим збільшенням часу його зростання до максимального значення.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Зависимость параметров внешних электромагнитных воздействий от технологических особенностей дуговых способов сварки / Рижов Р.М., Сидоренко П.Ю., Золотовський А.О. - Вестник НТУУ"КПИ". - 2005. - №46. - С. 114 - 116.

Здобувачеві належить аналіз впливу геометричного розміщення спеціалізованого пальника відносно поверхні дзеркала ванни на розподіл індукції КМП у робочій зоні.

2. Принципи конструювання спеціалізованих пальників для дугового зварювання з електромагнітними діями / Рижов Р.М., Сидоренко П.Ю., Золотовський А.О. - Наукові вісті НТУУ ”КПІ”. - 2006.- №1.- С. 54 - 59.

Здобувачеві належить аналіз впливу конструктивних параметрів магнітопроводу на розподіл індукції керуючого магнітного поля.

3. Принципи вибору структури багатополюсних електромагнітних систем для керування процесами дугового зварювання / Рижов Р.М., Сидоренко П.Ю. - Наукові вісті НТУУ ”КПІ”. - 2006.- №3.- С. 76 - 82.

Здобувачеві належить розробка математичної моделі визначення розподілу КМП багатополюсних електромагнітних систем. Належить аналіз впливу схем комутації струмів намагнічування у котушках полюсів на розподіл індукції КМП при різних просторових розміщеннях спеціалізованого пальника відносно зварювальної ванни.

4. Визначення параметрів імпульсних електромагнітних дій для керування процесом переносу електродного металу / Сидоренко П.Ю., Рижов Р.М., Золотовський А.О., Болотов Г.П. - Наукові вісті НТУУ ”КПІ”. - 2008.- №5.- С. 83 - 87.

Здобувачеві належить розробка математичної моделі для визначення параметрів імпульсних електромагнітних дій при дуговому зварюванні плавким електродом з урахуванням теплофізичних властивостей матеріалу краплі у розплавленому стані та електричних параметрів режиму зварювання. Належить аналіз балансу сил, що діють на краплі електродного металу.

5. Использование импульсных электромагнитных воздействий для управления процессом переноса электродного металла при дуговой сварке / Сидоренко П.Ю., Рижов Р.М. - Автоматическая сварка. - 2010. - №6 . - С. 52 - 53.

Здобувачеві належить аналіз впливу електромагнітних дій на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів на параметри перенесення електродного металу при зварюванні плавким електродом.

6. Патент на корисну модель №29439 МПК₅₁ В23К9/08 Спосіб керування процесом перенесення електродного металу із застосуванням імпульсних електромагнітних полів / Сидоренко П.Ю., Рижов Р.М. зареєстровано 10.01.2008 Бюл. №1.

Здобувачем розроблено спосіб керування процесом перенесення електродного металу із застосуванням ЕМД на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів.

7. Експериментальна оцінка силового впливу зовнішніх імпульсних електромагнітних полів на процеси масопереносу електродного металу / Сидоренко П.Ю., Рижов Р.М., Бережний Д.В. - IV Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих вчених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології": Тези доповідей. - К.: ІЕЗ ім. Є.О. Патона, НАНУ. - 2007. С.216.

Здобувачем розроблена методика оцінки силового впливу імпульсних електромагнітних дій на краплі електродного металу.

8. Математичне моделювання спеціалізованого інструменту для зварювання з високочастотними електромагнітними діями / Сидоренко П.Ю., Рижов Р.М., Золотовський А.О. - Досконалість зварювання - комплексний підхід: тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції. - Україна, Київ, 2007 р. - К.: НТУУ "КПІ", 2008. - 74 с.

Здобувачем розроблена математична модель для оптимізації конструктивних параметрів індуктору. Належать основні принципи створення спеціалізованого інструменту для зварювання з імпульсними ЕМД.

9. Експериментальне визначення параметрів масопереносу електродного металу при зварюванні з імпульсними електромагнітними діями / Сидоренко П.Ю., Керосір О.В. - V Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих вчених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології": Тези доповідей. - К.: ІЕЗ ім. Є.О. Патона, НАНУ. - 2009. С.112.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження з метою визначення впливу імпульсних електромагнітних дій на параметри перенесення електродного металу. Узагальнено результати досліджень.

АНОТАЦІЯ

Сидоренко П.Ю. Застосування імпульсних електромагнітних дій для керування процесом переносу електродного металу при дуговому зварюванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", МОН України, Київ - 2010 р.

Дисертація присвячена розробці способу керування перенесенням електродного металу при зварюванні з електромагнітними діями на основі імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів.

Виявлена залежність параметрів перенесення електродного металу від характеристик імпульсних аксіальних керуючих магнітних полів при зварюванні плавкими електродами з різними теплофізичними властивостями.

Встановлено, що застосування імпульсних електромагнітних дій забезпечує зниження рівня пористості швів і більш симетричного формування їх зовнішньої поверхні при зварюванні у різних просторових положеннях. Це свідчить про можливість комплексного поліпшення якості зварних з'єднань завдяки одночасному впливу імпульсних ЕМД на дугу та розплав зварювальної ванни.

На основі проведених досліджень сформульовані основні вимоги і принципи створення комплекту спеціалізованого обладнання для зварювання з зазначеними ЕМД та розроблені технологічні рекомендації щодо їх застосування при дуговому зварюванні плавким електродом.

Ключові слова: дугове зварювання, імпульсні електромагнітні дії, аксіальні імпульсні керуючі магнітні поля, керування переносом електродного металу, параметри формування швів.

АНОТАЦИЯ

Сидоренко П.Ю. Применение импульсных электромагнитных воздействий для управления процессом переноса электродного металла при дуговой сварке. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.03.06 - Сварка и родственные процессы и технологии. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", МОН Украины, Киев - 2010 г.

...