НацІональний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут"

Петрієнко Ольга Ігорівна

УДК 621.791.754

ВПЛИВ ТЕПЛОВИХ та ЕЛЕКТРИЧНИХ ПРОЦЕСІВ НА РЕЖИМИ МЕХАНІЗОВАНОГО ЗВАРЮВАННЯ СТАЛЕЙ У ЗАХИСНИХ ГАЗАХ

Спеціальність: 05.03.06 – Зварювання та споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Пентегов Ігор Володимирович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Размишляєв Олександр Денисович,

Приазовський державний технічний університет,

м. Маріуполь, професор кафедри

"Обладнання та технологія зварювального виробництва".

кандидат технічних наук, доцент

Рижов Роман Миколайович,

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”,

доцент кафедри "Електрозварювальні установки".

Провідна установа: Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова (м. Миколаїв),

кафедра "Зварювального виробництва"

Захист відбудеться „23” жовтня 2006 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.15 при Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 19, ауд.435.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НТУУ „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий "19" вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор Л.Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА характеристика РоБОТи

Актуальність теми. Механізоване дугове зварювання (ДЗ) електродом, що плавиться, у середовищі захисних газів займає одне з провідних місць серед способів зварювання плавленням. Незважаючи на довгий період існування даного методу зварювання, перед ним ще існують проблеми підвищення якості зварних з'єднань, продуктивності процесу, ресурсо- і енергозбереження. Досягнення цієї мети багато в чому визначається вибором параметрів режиму зварювання, які забезпечують високу якість зварного шва.

Аналіз основних методів розрахунку та вибору режимів показує, що особливо багато невикористаних можливостей знаходиться у області розрахунку теплових процесів у вильоті електрода. Дослідженням процесу плавлення, перенесення металу та зварювальних дуг присвячені роботи Б.Є. Патона, В.І. Дятлова, К.К. Хренова, А.М. Макари, М.М. Рикаліна, А.А. Єрохіна, Б.І. Медовара, Д.М. Рабкіна, Г.І. Лєскова, І.К. Походні, В.В. Фролова, А.І. Акулова, І.І. Заруби, А.Г. Потап’євського, В.С. Гвоздецького, О.В. Лебедєва, В.П. Дороніна, Н.Г. Дюргерова, В.А. Ленівкина, Б.К. Панібратцева, Є.М. Варухи, А. Леснєвича, T. Nakamura, K. Hiraoka, J.C. Amson, T.P. Quinn, R.B. Madigan та інших учених.

Проведені дослідження показали, що існуючі методи розрахунку не завжди відрізняються точністю одержаних результатів, мають значний розкид даних у рекомендаціях при виборі режимів зварювання, що приводить у ряді випадків до одержання нестабільних режимів зварювання, значній перевитраті наплавленого металу, електроенергії. Тому більшість з них вимагає модернізації та уточнень.

Тому є актуальною задача створення методик та програм автоматизованого розрахунку параметрів зварювального процесу, які дозволяють в режимі реального часу здійснювати багатоваріантні інженерно-технологічні розрахунки з метою оптимізації зварювального процесу, а також при створенні нових моделей сучасних джерел живлення (ДЖ) для розроблювачів систем керування зварювальним обладнанням. Створення методик розрахунку з урахуванням нелінійності теплофізичних параметрів процесу і хімічного складу зварювальних матеріалів, які використовуються, є актуальною задачею при дослідженні процесів плавлення електрода при зварюванні.

Актуальність теми дисертаційної роботи додатково підтверджується тим, що вона виконана у відповідності з планами наукових досліджень ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках:

- Науково-дослідницької роботи ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ "Розробка технології зварювання у твердій фазі труб із легованих та нержавіючих сталей" № 43/7, відповідно з постановою Бюро ВФТПМ НАН України, протокол № від 20.04.2000 р, номер держреєстрації № 0100U004954.

- Науково-дослідницьких робіт молодих учених ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ: "Дослідження процесів при дуговому зварюванні електродом, що плавиться, в середовищі вуглекислого газу; розробка математичної моделі процесів в системі "джерело живлення – зварювальна дуга"; створення методики розрахунку нового ДЖ з конденсаторним помножувачем напруги та покращеними екс-плуатаційними й технологічними характеристиками" № /13-П, відповідно з постановою № 33 від 31.01.2000 р. ІЕЗ ім. Є.О. Патона; "Розробка математичної моделі електротеплових процесів при дуговому зварюванні в середовищі вуглекислого газу і створення на її основі приставки для поліпшення параметрів процесів зварювання" № /15-П, відповідно з постановою № від 16.02.2001 р. ІЕЗ ім. Є.О. Патона;Дослідження впливу кута нахилу зовнішньої вольт-амперної характеристики ДЖ та динамічних властивостей зварювального дроселя на якість зварювання в середовищі вуглекислого газу і експериментальне визначення падіння напруги в контакті "мундштук - зварювальний дріт" № 43/3-П, відповідно з постановою № 23 від 01.03.2005 р. ІЕЗ ім. Є.О. Патона.

Мета і задачі дослідження. Розробка методу розрахунку параметрів режимів механізованого дугового зварювання сталей у середовищі захисних газів у системі „джерело живлення – зварювальна дуга”, та створення на його основі програми автоматизованого розрахунку параметрів режимів зварювання.

Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі:

1. узагальнено існуючі теоретичні уявлення о процесах нагрівання і плавлення у вильоті електрода при механізованому ДЗ у захисних газах, о розподілі температур і падіння напруги на всіх ділянках вильоту електрода від мундштука до зварювальної дуги и методах їх математичного опису, о режимах механізованого ДЗ, що рекомендуються.

2. отримано аппроксимаційні формули залежностей теплофізичних параметрів процесу від температури.

3. проведені експериментальні дослідження по визначенню падіння напруги в контакті "мундштук – електродний дріт" при механізованому ДЗ у середовищі захисного газу з застосуванням комп'ютерної обробки одержаних даних.

4. отримано рівняння для визначення початкової температури дроту при виході його з мундштука зварювального пальника.

5. розроблено новий метод розрахунку параметрів режиму механізованого ДЗ сталей у системі "ДЖ – зварювальна дуга" у захисних газах без коротких замикань (КЗ) з використанням комп'ютерних методів обчислення, при якому температура попереднього підігріву електрода та температура краплі лежать у припустимих діапазонах температур.

6. Запропоновано номограми для вибору параметрів режиму механізованого ДЗ сталей у захисних газах.

7. розроблено програму автоматизованого розрахунку в режимі реального часу параметрів режиму механізованого ДЗ сталей у системі "дж – зварювальна дуга".

Результати проведених досліджень покладено в основу дисертації.

Об'єкт дослідження – процеси нагрівання і плавлення вильоту електродного дроту при механізованому зварюванні.

Предмет дослідження – взаємозв'язок параметрів зварювального процесу з режимами зварювання, розподіл температури і падіння напруги уздовж вильоту електрода, тепловий баланс на інтервалі «мундштук – зварювальна ванна».

Методологія і методи дослідження. Для вирішення поставлених задач і одержання основних результатів дисертаційної роботи використовувалися аналітичні та чисельні методи розрахунку. Було проведено експериментальне дослідження падіння напруги у місті контакту електродного дроту з мундштуком зварювального пальника з використанням комп'ютерних методів обробки одержаних даних. Теоретичні дослідження проводились із застосуванням методів математичного моделювання. Обробка результатів здійснювалася з використанням прикладних програм MathCAD та PowerGraph.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено метод розрахунку режимів механізованого ДЗ сталей у захисних газах без коротких замикань у системі "ДЖ – зварювальна дуга", який характеризується урахуванням залежності теплофізичних параметрів процесу від температури та тепла, що надходить у виліт електрода від краплі, а також введенням рухливої віртуальної границі з граничними умовами IV роду.

2. Вирішено задачу аналітичного визначення таких основних параметрів процесу зварювання, як швидкість подачі електродного дроту, довжина вильоту, відстань від зрізу мундштука до зварювальної ванни, напруга ДЖ та інших параметрів, необхідних для забезпечення якісного процесу зварювання (дотепер рекомендації такого плану були цілком емпіричними).

3. Отримано аналітичні залежності для розрахунку падіння напруги і температури в будь-якій крапці на вильоті електродного дроту від мундштука до зварювальної дуги з урахуванням нелінійності теплофізичних параметрів процесу і з урахуванням тепла, що надходить від краплі; визначена довжина зони, у якій нагрівання електрода визначається власне нагріванням від минаючого струму, і довжина зони електрода, що прилягає до краплі, у якій основні теплові процеси визначаються нагріванням від краплі. Це дає можливість розрахувати градієнт температур на ділянці вильоту електрода, що прилягає до краплі, і дослідити тепловий баланс краплі більш детально і докладніше, ніж колись.

4. Експериментальним шляхом встановлено, що величина контактного падіння напруги зростає при збільшенні швидкості подачі та зменшується при збільшенні діаметра електродного дроту. Оскільки контакт є малоінерційним обєктом, стан якого обумовлений значенням струму в даний момент часу, то вольт-амперна характеристика (ВАХ) контакту не залежить від режимів зварювання (з КЗ чи без КЗ). Отримано аналітичний опис падіння напруги у контакті "мундштук - електродний дріт" при механізованому ДЗ.

5. Вперше отримана формула для визначення початкової температури дроту на виході його з мундштука, яка є невід'ємною частиною автоматизованої програми розрахунку параметрів зварювального процесу в системі “ДЖ – зварювальна дуга”.

6. Вперше, на базі теорії Р. Хольма розрахунковим шляхом встановлено, яка саме частка тепла, що виділяється в контакті, надходить у дріт, а яка - у мундштук зварювального пальника. Це дозволяє розділити потоки тепла, що йдуть у дріт та в мундштук.

7. Обґрунтовано новий підхід щодо вибору параметрів режимів зварювання, який полягає в тім, що при розрахунках для обраного діаметра дроту необхідно задаватися в діапазонах, що рекомендуються, значеннями струму, температурами попереднього підігріву електродного дроту та краплі, і в результаті визначати з великою точністю швидкість подачі та довжину вильоту, при яких забезпечуються ці температури. При цьому вирішується задача визначення саме тих параметрів, якими колись довільно задавались. Такий підхід дозволяє набагато точніше, ніж колись, визначати основні параметри режиму зварювання.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено новий метод розрахунку теплових та електричних процесів у вильоті електродного дроту при механізованому ДЗ з урахуванням нелінійності теплофізичних параметрів процесу, який може бути використаний при створенні нових ДЖ, що забезпечують зварювання на заданих режимах, при дослідженні процесів плавлення електрода, а також розроблювачами систем керування зварювальним обладнанням.

Розроблено програму автоматизованого розрахунку, яка дозволяє робити в режимі реального часу багатоваріантні інженерно-технологічні розрахунки режимів зварювання довгою дугою у захисних газах.

Результати даних досліджень, і, особливо, отримані аналітичні залежності, номограми та метод розрахунку основних параметрів процесу зварювання, можуть бути використані у навчальному процесі при підготовці фахівців в області обладнання і технології зварювального виробництва.

Створена програма автоматизованого розрахунку параметрів режимів механізованого ДЗ сталей у середовищі захисних газів є придатною, після внесення до неї відповідних змін, для вивчення та розробки процесів для інших зварювальних матеріалів.

Особистий внесок здобувача. У наукових статтях, опублікованих у співавторстві, автору дисертації належить: у роботі [1] – розробка методики розрахунку розподілу падіння напруги та температури по довжині вильоту електрода на ділянці, яка примикає до мундштука; у роботі [2] – розробка методики розрахунку розподілу температури по довжині вильоту електрода на ділянці, яка примикає до краплі, з урахуванням тепла, що надходить від краплі; у роботі [3] – проведення експериментів по визначенню падіння напруги в області контакту електродного дроту з мундштуком, аналіз і обробка одержаних результатів; у роботі [4] – розробка методики розрахунку температури дроту на виході його з мундштука; у роботі [5] – розробка методики аналітичного визначення основних параметрів режимів механізованого ДЗ у захисних газах, створення номограм що до вибору найбільш сприятливих режимів зварювання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на конференціях та наукових семінарах: I-ой Всеукраинской науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов "Сварка и родственные технологии" (Ворзель, 2001 г.); Міжнародній конференції "Зварювання та суміжні технології 2002" (Бенардосовські читання, Київ, 2002 р.); II-й Всеукраинскій наук.-техн. конф. молодих учених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології" (Ворзель, 2003 р.); III Всеукраинскій наук.-техн. конф. молодих учених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології" (Ворзель, 2005 р.); наук.-техн. семінарі "Schweitechnische Zentralanstalt" в Інституті зварювання Австрії (Відень, Австрія, 2006 р).

Публікації. По темі даної дисертації опубліковано 5 статей в спеціалізованих науково-технічних журналах та збірниках, а також 4 тези доповідей у збірниках міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура і обєм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, пяти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обєм роботи – 188 сторінок машинописного тексту, включаючи перелік умовних позначень на 2 сторінках, 25 рисунків на 18 сторінках, 6 таблиць на 3 сторінках, списку використаних джерел з 180 найменувань на 17 сторінках та 4 додатків на 32 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і визначені основні задачі роботи, відзначена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, інші кваліфікаційні ознаки роботи.

У першому розділі дисертації проведено аналіз сучасного стану питання про особливості механізованого ДЗ сталей у захисних газах, характеристики перенесення електродного металу, а також узагальнено існуючі рекомендації щодо вибору режимів даного процесу зварювання. Також викладено аналіз літературних даних про теоретичні положення о нагріванні електродного дроту, розподілі температури й падіння напруги на вильоті електрода від мундштука до дуги. Показано, що є актуальною розробка методики розрахунку параметрів зварювального процесу, заснованої на новому підході з використанням сучасних обчислювальних засобів, які дозволяють реалізовувати автоматизовані методи розрахунку.

У другому розділі описано методику розрахунку поточного значення падіння напруги на ділянці вильоту електрода від мундштука до крапки з температурою попереднього підігріву на основі рішення диференційного рівняння теплопровідності Фурє з урахуванням нелінійності температурних залежностей питомого електричного опору (Т) та питомої теплоємності Ср(Т).

Поставлена задача вирішується при деяких припущеннях: втратами тепла на конвекцію та випромінювання нехтуємо через їх незначний вплив на теплові процеси у вильоті електрода відповідно з роботами Б.Є. Патона, В.В. Фролова, О.В. Лебедєва, А.Г. Потап’євського, П.П. Шейко, А.А. Єрохіна; на ділянці вильоту електрода від мундштука до крапки з температурою попереднього підігріву нехтуємо теплом, яке надходить від краплі, також через його незначний вплив на нагрівання цієї ділянки вильоту; під температурою краплі розуміється її середнє значення, яке забезпечує таку саме тепломісткість краплі, як і в реальному стані.

Показано, що умовно виліт електрода можливо поділити на дві ділянки (рис.1): ділянку (0 l l1), яка примикає до мундштука та нагрівається електричним струмом, і на якій вплив тепла, що надходить від краплі є несуттєвим; та ділянку l (l1 l lв), яка нагрівається електричним струмом та теплом, яке надходить за рахунок теплопровідності від краплі .

Теплові процеси на цих ділянках вильоту електрода описуються різними рівняннями. Крапка "сполучення" цих рішень знаходиться на відстані l від границі електрода з краплею, та характеризується температурою попереднього підігріву Т1 електрода й довжиною частки вильоту електрода, яка дорівнює l1. На інтервалі 0-l1 -

Рис.1. Схема розподілу температури й падіння напруги по довжині вильоту електрода від мундштука до зварювальної ванни

теплові процеси вирішуються з урахуванням нелінійних залежностей теплофізичних параметрів від температури, а на інтервалі l (l1 …lв) - при середніх для даного інтервалу теплофізичних параметрах. В зоні вильоту, яка знаходиться безпосередньо перед краплею відбувається різке збільшення температури, яке обумовлене надходженням тепла від краплі.

При механізованому ДЗ підвищення температури вильоту відбувається на одиницю довжини в напрямку від мундштука до дуги. Для елемента дроту dl, що рухається у тому ж напрямку, обрана система координат, нерухома відносно дроту і така, що рухається разом з ним з постійною швидкістю подачі vп. Оскільки температура Т елемента dl є функцією поточної довжини l вильоту електродного дроту, то поточне значення напруги на першій ділянці вильоту електродного дроту після заміни перемінних інтегрування визначається рівнянням:

, (1)

де j – щільність струму, Т – поточне значення температури на вильоті електрода; Т0 – початкова температура дроту на виході з мундштука.

Для визначення похідної dT /, можно скористатися диференційним рівнянням теплопровідності Фур'є, яке має вигляд:

, (2)

де – щільність металу електродного дроту; dТ – збільшення температури елемента вильоту електрода dl за час dt; Ср(Т) – ізобарна теплоємність одиниці маси; (Т) – коефіцієнт теплопровідності електродного металу.

Для розглянутої системи координат поточна довжина вильоту електродного дроту l пов'язана з поточним часом t лінійною залежністю lпt, використовуючи яку, робимо в рівнянні (2) заміну перемінної dt=dl/vп:

. (3)

Розрахунковим шляхом встановлено, що теплопровідність впливає на нагрівання вильоту електрода не по всій його довжині, а переважно в області, яка примикає до краплі, тому першим членом рівняння (3) зневажаємо та знаходимо градієнт температури на ділянці 0 < l < l1:

(4)

Підставляючи це рішення у рівняння (1), одержуємо рівняння для розрахунку падіння напруги на вильоті електрода як функцію від температури:

. (5)

З рівняння (4) випливає залежність між поточним значенням довжини вильоту електрода і температурою даної ділянки вильоту:

. (6)

Формула (6) справедлива на ділянці вильоту електродного дроту від мундштука до l1, на якій нагрівання здійснюється тільки минаючим струмом і усе виділене тепло йде на підвищення тепломісткості металу. Слід зазначити, що на другій ділянці вильоту електрода l діють інші закони, ніж ті, що описують нагрівання електродного дроту минаючим струмом. При цьому істотно впливає тепло, яке йде від краплі.

Одержані рівняння (5) та (6) являють собою залежність розподілу падіння напруги по довжині вильоту електрода як функцію від температури з урахуванням нелінійності теплофізичних параметрів, та задають параметричну форму запису залежності Uв(l). Вони підтверджують, що падіння напруги залежить тільки від щільності металу, швидкості подачі дроту, щільності струму, питомої теплоємності і початкової температури Т0. При цьому Uв не залежить від (Т). Від величини (Т) залежить відстань від мундштука до крапки на вильоті з даним потенціалом і температурою.

Розрахунки проведено з використанням отриманих аппроксимаційних залежностей теплофізичних параметрів (Т) та Ср(Т) від температури.

По формулах (5) та (6), при використанні цих аппроксимаційних залежностей, було проведено розрахунки для електродного дроту Св-08Г2С діаметрами 1,2 мм та 2,0 мм по довжині вильоту електрода від мундштука до ділянки, що примикає до краплі (див. рис.1). На отриманих залежностях (рис.2) спостерігається гарний збіг розрахункових та існуючих експериментальних даних падіння напруги по довжині вильоту електрода.

Рис.2. Криві розподілу падіння напруги по довжині вильоту електрода при різних швидкостях подачі: 1 – vп = 0.180; 2 – 0.200; 3 – 0.230; 4 – 0.270; 5 – 0.050; 6 – 0.056; 7 – 0.057; 8 – 0.068 м/с; - існуючи експериментальні дані.

Встановлено, що чим більше швидкість подачі електродного дроту, тим менше контактне падіння напруги, що збігається з існуючими експериментальними даними. І чим менше його початкова температура Т0, тим менше падіння напруги на вильоті.

Для рішення всіх перерахованих вище рівнянь невідомими параметрами залишаються: швидкість подачі дроту, температура дроту на виході з мундштука і температура попереднього підігріву.

Для проведення розрахунків необхідно враховувати значення температури електрода Т0 при виході його з мундштука, тому що її значення можуть лежати в діапазоні 350 – 733 К, а це може впливати на подальший характер протікання теплових процесів у вильоті електрода. У свою чергу, для визначення температури Т0 необхідно знати величину падіння напруги в контакті «мундштук – електродний дріт».

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням з визначення падіння напруги в контакті "мундштук – електродний дріт" Uкон та визначенню тієї її частки, яка є відповідальною за тепло, що надходить у дріт, а також аналітичному розрахунку початкової температури дроту.

Експерименти проводили дротом марки Cв-08Г2С діаметрами 0,8 мм (обміднена) та 1,2 мм (необміднена) при різних значеннях швидкостей подачі у середовищі вуглекислого газу. Зняття значень контактного падіння напруги проводилося безпосередньо в процесі зварювання за допомогою щупа, встановленого на відстані 1 мм від торця мундштука зварювального пальника. Експериментальні дані оброблялися за допомогою комп'ютера, з убудованим аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) вхідних сигналів. В АЦП було задіяно два канали, на вхід яких подавалися через блок посилення та гальвано-развязки поточні значення Uкон та I, що знімався з шунта. Отримані експериментальні дані оброблялися за допомогою програми «PowerGraph». Частота вимірів Uкон та I складала 20кгц.

Проведені експерименти дозволили одержати осцилограми контактного падіння напруги, струму та опору в області контакту електродного дроту з мундштуком зварювального пальника при різних діаметрах та швидкостях подачі дроту. Записані за допомогою програми «PowerGraph» крапкові цифрові масиви значень I, Uкон та контактного опору дозволили побудувати ВАХ контакту «мундштук - електродний дріт» при різних діаметрах й швидкостях подачі, та досліджувати характер їхніх змін у процесі зварювання. Встановлено, що контакт є малоінерційним об'єктом й його стан обумовлений значенням струму в даний момент часу і ВАХ контакту не залежить від режимів зварювання (із КЗ чи без КЗ).

Виявлено залежність ВАХ контакту від діаметра електродного дроту та від швидкості його подачі. Величина Uкон зростає при збільшенні швидкості подачі vп та зменшується при збільшенні діаметра d електродного дроту. При фіксованих d і vп середнє значення величини Uкон визначається тільки миттєвим значенням зварювального струму. Напруга Uкон плавно зростає при збільшенні струму через контакт і для незношеного мідного мундштука в робочому інтервалі струмів знаходиться в діапазоні від 0,2 В до 1,5 В. Такий розкид величин Uкон спричинений випадковими змінами величини контактного опору та довжини "схованої" ділянки вильоту електрода. Аппроксимація ВАХ контакту «мундштук – електродний дріт» має вигляд:

, (7)

де Iбаз=180 А, dбаз=1 мм, vбаз=0.035 м/с.

Ця формула може використовуватися для областей зміни параметрів, при яких Uкон > 0.

Рекомендується не допускати режими, при яких щільність струму в електродному дроті перевищує 400 А/мм2, тому що характер контакту стає іскровим, і це приводить до різкого збільшення величини Uкон, що спричиняє підвищений знос мундштука, виникнення теплових хвиль та руйнування стійкості зварювального процесу.

Встановлено, що чим менше діаметр електродного дроту, тим менше припустимий зварювальний струм. Границя виникнення іскрового контакту зміщується убік менших щільностей струму в дроті при зносі мундштука, при цьому Uкон може різко зростати, досягаючи значень 4 - 6 В. Тому при роботі зі зношеним мундштуком якісне зварювання одержати неможливо.

За допомогою теорії Р. Хольма знайдена частка контактного падіння напруги U, яка є відповідальною за нагрівання електродного дроту в мундштуці: для мідного мундштука U=0,51·Uкон; для бронзового мундштука U=0,60·Uкон, де Uкон визначається по рівнянню (7). Розрахунки показують, що отримані співвідношення практично не змінюються при зміні параметрів та режимів зварювання.

Запропоновано методику визначення початкової температури електродного дроту Т0 при виході його з мундштука. Методика може бути використана при створенні автоматизованої програми розрахунку параметрів зварювального процесу в системі “ДЖ – зварювальна дуга” при механізованому ДЗ у захисних газах. Отримано аналітичне рівняння розрахунку температури Т0 з урахуванням частки U повного падіння напруги в контакті «мундштук – електродний дріт»:

, (8)

де – поточне значення температури металу електрода.

Для розрахунку величини Т0 по формулі (8) необхідно знати швидкість подачі дроту, яку можна знайти з вирішення умови теплового балансу на вильоті електрода. Однак, для цього необхідно знати розподіл температури та падіння напруги на другій ділянці вильоту l, яка знаходиться в інтервалі температур від Т1 до температури плавлення дроту Тпл, та де тепло, що надходить у дріт від краплі, значно впливає на теплові процеси, що протікають у ньому.

У четвертому розділі приведено розрахунок розподілу температури на другому інтервалі вильоту електрода з урахуванням тепла, що надходить від краплі.

Даний підхід, базується на введенні рухливих віртуальних границь і граничних умов IV роду, та дозволяє визначити довжину ділянок вильоту електрода l1 та l. Для другої ділянки вильоту електрода l вирішуємо рівняння (3) з урахуванням першої складової рівняння (1). Це повне рівняння може бути вирішене без спрощень чисельними методами, але при цьому втрачається можливість теоретичних узагальнень та аналізу, які є необхідними для рішення поставленої задачі. Для одержання аналітичного рішення на другій ділянці вильоту електрода використовувалися усереднені теплофізичні параметри на інтервалі інтегрування з використанням аппроксимацій (Т), Ср(Т) та (Т).

Для усереднених теплофізичних параметрів було уведено такі позначеня:

, (9)

використання рівнянь (9) дозволяє привести формулу (3) до вигляду

. (10)

Після відповідних перетворень стає можливим визначення градієнта температур у будь-якій крапці на другій ділянці вильоту електрода:

, (11)

де e – основа натурального логарифма; Т(l1) – градієнт температури в крапці з температурою попереднього підігріву з боку інтервалу l, який розраховується за формулою:

. (12)

Рішення рівняння (10) з урахуванням (11) та (12) дозволяє знайти температуру на другій ділянці вильоту електрода l:

. (13)

Рівняння (13) забезпечує умову сполучення рішень на розглянутих двох ділянках вильоту електрода по температурі в крапці з температурою попереднього підігріву. При цьому існують умови, при яких можна забезпечити мінімальну розбіжність градієнтів температури в крапці "сполучення". Визначення цих умов полягає в тому, що відношення градієнтів температур двох ділянок вильоту електрода в крапці з температурою попереднього підігріву представлено у вигляді функції:

. (14)

Аналіз цього рівняння показує, що ця функція на інтервалі температур 600 1044 К завжди більше одиниці. Мінімальне значення функції (14), найбільш близьке до одиниці, відповідає найкращій умові сполучення рішень: Рішення цього рівняння дозволяє визначити довжину другої ділянки вильоту електрода l як функцію величин швидкості подачі електродного дроту vn та щільності струму j. Для розрахунку величини l отримана сплайн-аппроксимація залежності l від vn та j.

Розроблений метод розрахунку, дозволяє визначити довжину зони вильоту, у якій електрод нагрівається під дією минаючого струму, та довжину вильоту – у якій основні теплові процеси визначаються нагріванням від краплі.

Знаючи величину l, з урахуванням рівняння (6) можна визначити повну довжину вильоту електрода: lв=l(T1,T0)+l, але для цього необхідно знати величину швидкості подачі дроту, яка знаходиться з вирішення рівняння теплового балансу (тут ліва і права частини рівняння балансу потужностей поділені на величину струму I = j d2/4):

, (15)

де - теплоти фазових переходів металу електрода, - середнє значення падіння напруги на краплі, яке обумовлено потужністю, яка виділяється у шийці краплі; kш – геометричний коефіцієнт шийки краплі, який у залежності від виду перенесення металу має різні значення: при зварюванні в аргоні, сумішах з аргоном і гелії (при струминному перенесенні) kш0,5; при зварюванні у СО2, аргоні, сумішах з аргоном і гелії (при великокраплинному перенесенні) kш2,75;

- напруга на ділянці вильоту електрода l;

Uэкв - еквівалентна напруга при розплавлюванні дугою:

- при зварюванні на зворотній полярності: (7,4 Uэкв 9,2): ,

- при зварюванні на прямій полярності: (7,1 Uэкв 8,6): ,

де Ui – потенціал іонізації елемента в складі дроту з найменшим потенціалом іонізації; Uа, Uк - анодне та катодне падіння напруги (для сталі Uа3,5 4 В; Uк13,514 В); Uвых - робота виходу.

Рівняння (15) дозволяє визначити необхідну швидкість подачі дроту п, якщо задані щільність струму j, діаметр дроту d, температури попереднього підігріву Т1 та температура краплі Ткап. Після цього стає можливим визначення всіх параметрів режиму механізованого ДЗ сталей у захисних газах, включаючи: напругу на першій ділянці вильоту електрода: Uмl1(Т1) = vп /j+U; напругу на другій ділянці вильоту Ul; середнє значення падіння напруги на ділянці «мундштук – крапля»: Uмк= Uмl1кап; напругу на ділянці "мундштук – зварювальна ванна": Uмв= Uмкд, де Uд = Ua + Uk + Uст_порівн. Розрахунок напруги на стовпі дуги Uст відбувається по відомій формулі: Uст=Еlд, де Е - напруженість поля в стовпі дуги, lд – довжина дуги. Отримані формули дозволяють розрахувати величини vп та lв при різних значеннях щільності струму j в електродному дроті, якщо є заданими параметри d, Т1 й Ткап, що забезпечують тепловий баланс на вильоті електрода, та побудувати залежності vп від j (рис.3), та lв від j (рис.4). Сімейства кривих побудовані для різних сполучень значень температур Т1 і Ткап.

Рис.3. Залежність швидкості подачі електродного дроту від щільності струму (d=1.2 мм, Tо.ср=293 К): а - Tкап=2970 К; б - T1=750 К.

При фіксованих температурах Т1 і Ткап (рис.3) залежності vп від j носять практично лінійний характер і vп збільшується пропорційно росту j. При постійних значеннях j і Ткап (рис.3, а), чим більше vп дроту, тим більше температура Т1, та навпаки, при постійній швидкості подачі vп і постійній температурі Ткап, величина Т1 зменшується з ростом j. При фіксованих значеннях j і Т1 (рис.3, б), чим більше швидкість подачі дроту vп, тим менше температура Ткап і навпаки, при постійній швидкості подачі vп і постійній температурі Т1, величина Ткап зростає з ростом j. Усі ці закономірності випливають з умови теплового балансу.

Якщо звернутися до рис.4, то можна прийти до висновку, що довжина вильоту lв при постійних Т1 та Ткап – є незмінною, і з ростом j для збереження величин Т1 й Ткап на заданому рівні необхідно зменшувати величину вильоту lв.

Якщо ж витримувати довжину вильоту постійною, як це звичайно прийнято, то з ростом щільності струму j при незмінному значенні Ткап зростає температура попереднього піді-гріву Т1, і режим може стати пульсів-ним. Чи, якщо тем-пература Т1 та дов-жина вильоту lв залишаються постій-ними, то при зрос-танні щільності струму тепловий ба-ланс може бути до-сягнутий тільки при зниженні темпера-тури краплі Ткап

Рис.4. Залежність довжини вильоту електродного дроту від щільності струму (d=1.2 мм, Tо.ср=293 К): а - T1=750 К; б - Tкап=2970 К.

(за допомогою збільшення швидкості подачі) і режим може виявитися непридатним по теплових параметрах. Тому підбирати режими зварювання при постійному значенні lв небажано.

Характер розташування кривих на цих рисунках практично не залежить від діаметра дроту. На рис.4 видно, що при збільшенні щільності струму j довжина вильоту lв повинна зменшуватися, якщо необхідно зберігати температури Т1 і Ткап на заданому рівні. Аналіз цих рисунків показує, що при тих самих значеннях j і температури Т1, меншому значенню температури краплі Ткап (згідно з умовою теплового балансу), відповідають більші значення швидкості подачі vп та довжини вильоту lв (рис.4, а). З тих же причин при фіксованих значеннях j і Ткап, чим більше задана температура Т1 (рис.4, b), тим більше lв. Якщо не враховувати в рівнянні теплового балансу дві останніх складові, які звичайно дорівнюють 4-5% від Uэкв, то виходить лінійна залежність п від j.

У приведених розрахунках прийняті значення температур Т1=const (в області припустимих значень для усунення можливості виникнень автоколивань у системі) та Ткап=const (виходячи з вимог технології даного процесу зварювання). Тому, щоб усі розглянуті режими характеризувалися однаковою якістю зварювання, необхідно розглядати залежності п від j при заданих значеннях Т1 та Ткап.

Існує оптимальний діапазон температур попереднього підігріву (673 К Т1 1073 К), у межах якого ще не потрібно надмірної витрати вуглекислого газу та немає небезпеки виникнення автоколивань. Якщо при розрахунках задаватися температурою Т1, то це і буде тією необхідною додатковою умовою, яка дозволяє однозначно вирішити рівняння теплового балансу. Звичайно це значення вибирається нижче температури крапки Кюрі.

Температура краплі Ткап вибирається з розумінь оптимального протікання тих чи інших хімічних реакцій та невигоряння летучих фракцій у діапазонах, які рекомендуються (2200 К  Ткап   К) (за даними робіт І.К. Походні, А.М. Суптеля, А.Г. Потап’євського). При цьому, Ткап може вибиратися з відхиленням від експериментальних значень у той чи інший бік. Для великих товщин виробів рекомендується вибирати Ткап вище середніх значень, а при малих товщинах – навпаки. При відхиленні убік зростання температури Ткап глибина проплавлення збільшується, при відхиленні убік зменшення температури Ткап – зменшується, що корисно при наплавленні.

У п'ятому розділі описана програма автоматизованого розрахунку режимів механізованого зварювання сталей у захисних газах переважно без коротких замикань, яка створена на основі розробленої методики розрахунку. При розрахунках для обраних діаметра дроту та захисного газу необхідно задаватися струмом I, температурами T1 й Tкап і в результаті визначати температуру дроту на виході з мундштука Т0 та необхідні значення швидкості подачі vп, довжини вильоту електрода lв та інші параметри, при яких забезпечуються ці температури й обрана величина зварювального струму. Довжина ж вильоту та швидкість подачі дроту не є тими факторами, якими потрібно задаватися – їх потрібно визначати. Цей підхід вигідно відрізняється від загальноприйнятого, при якому задаються значеннями d, I, lв і vп, а потім визначають температури T1 й Tкап. При цьому температури T1 й Tкап, які одержуються у результаті розрахунків, можуть лежати в неприйнятних діапазонах.

Запропоновано номограми (рис.5) по яких вибирається значення зварювального струму для даного діаметра дроту та виду захисного газу.

Рис.5. Номограми для вибору зварювального струму I, у залежності від типу захисного газу та діаметра електродного дроту.

Номограми є узагальненням існуючих рекомендацій робіт А.Г. Потапєвського, І.І. Заруби, В.Я. Лавріщєва, Б.К. Панібратцева, В.Г. Свецинського, В.І. Галініча і інших учених, і дозволяють визначити найбільш сприятливий режим зварювання. Ці номограми зручні тим, що одночасно дають можливість контролювати рівень щільностей струмів в електродному дроті, а також тим, що границі між областями режимів близькі до прямих ліній, що спрощує формули, які використовуються в методиці автоматичного розрахунку. Ці границі мають деяку довжину, пов'язану з процесами переходу режимів від одного виду до іншого, і вибір режиму в цих зонах характеризується появою перемежованих режимів (В.Є. Пономарьов, А. Скотті).

У розділі подано приклади розрахунків параметрів режиму механізованого дугового зварювання. На рис.6. показано побудований програмою графік повного |

розподілу температури по довжині вильоту елек-тродного дроту від мунд-штука до lв з урахуванням нелінійності теплофізич-них параметрів процесу та тепла, яке надходить у дріт від краплі та від дуги. Дана крива побудована для конкретного режиму зварювання: дротом

Св-18ХГС у середовищі Ar+2%O2, d=1,2 мм, I=290 vп=9,1 м/хв, Т1=900 К, Ткап=2900 К.

Рис.6. Розподіл температури по довжині вильоту електродного дроту з урахуванням нелінійності теплофізичних параметрів процесу та тепла, що надходить у дріт від краплі та від дуги.

На рис.7 показаний побудований програмою автоматизованого розрахунку графік вибору значень Н и Uмв для вищезгаданого режиму зварювання. Якщо джерело живлення може забезпечити деяке фіксоване значення напруги на ділянці "мундштук – зварювальна ванна", то за графіком (рис.7), знаходять величину Н, яка є відстанню між зрізом мундштука і ван-ною, та яку необхідно виставити на початку зварювального процесу.

Рекомендоване по Євронормам сумарне значення падіння напруги на инервалі «мундштук – зварювальна ванна»

Рис.7. Приклад вибору величин Н і Uмв: -- - найбільш прийнятний інтервал Н, мм;   ¦ ¦ ¦  Uмврекомен-доване по Євронормам), В;  ??? - аналітичне продовження Н, мм.

Uмв, дає усереднене значення величин, які рекомендуються, тому що є узагальненням експериментальних даних. Тому на практиці при конкретних режимах роботи можливі відхилення значення даного параметра в той чи інший бік.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено методику розрахунку основних параметрів зварювального процесу у середовищі захисних газів електродом, що плавиться, таких як падіння напруги на вильоті електрода, падіння напруги в контакті "мундштук – електродний дріт", початкова температура дроту при виході його з мундштука, швидкість подачі електродного дроту, довжина вильоту, відстань від зрізу мундштука до зварювальної ванни, середнє значення падіння напруги на ділянці "мундштук – зварювальна ванна". Дотепер рекомендації такого плану були цілком емпіричними. В розробленій методиці заданими параметрами вважаються: діаметр та марка дроту, зварювальний струм, температура попереднього підігріву дроту й середня температура краплі. А також в ній враховуються матеріал виробу, вид захисного газу та полярність.

2. Запропоновано нову концепцію розрахунку параметрів зварювального процесу, яка полягає в тім, що для обраного діаметра дроту задаються зварювальним струмом, температурою попереднього підігріву перед початком різкого зростання температури й температурою краплі, та у результаті визначають з великою точністю значення швидкості подачі та довжини вильоту електродного дроту, при яких забезпечуються ці температури. Таким чином, вирішується задача визначення саме тих параметрів, якими колись довільно задавалися. Такий підхід дозволяє набагато точніше, ніж колись, визначати основні параметри режиму зварювання.

Завдяки застосуванню даного підходу отримане однозначне рішення рівняння теплового балансу при механізованому дуговому зварюванні у середовищі захисних газів без коротких замикань.

3. Встановлено, що теплопровідність істотно впливає на нагрівання вильоту електрода не по всій його довжині, а тільки в області, яка примикає до краплі. Розроблено новий метод розрахунку, який дозволяє визначити довжину зони вильоту електродного дроту, на якій його нагрівання визначається