Приазовський державний технічний університет

М А К А Р Е Н К О

Н а т а л і я О л е к с і ї в н а

УДК 621.791.927.5

РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОСНОВ ПЛАЗМОВОГО ЗВАРЮВАННЯ І НАПЛАВЛЕННЯ ПЛАВКИМ І НЕПЛАВКИМ

ЕЛЕКТРОДАМИ

Спеціальність: 05.03.06-Зварювання і споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Маріуполь 2006 р.

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Приазовському державному технічному університету (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Чигарьов Валерій Васильович,

Приазовський державний технічний університет (м.Маріуполь), завідувач кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, профессор Кузнєцов Валерій Дмитрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”(м.Київ), завідувач кафедри “Відновлення деталей машин”;

доктор технічних наук Петров Станіслав Володимирович Інститут газу НАН України (м.Київ), провідний науковий співробітник відділу плазмових технологий доктор технічних наук, доцент Арсенюк Валерій Васильович, Національна академія наук України (м.Київ), керуючий справами

Провідна установа: Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона Національної

академії наук України (м. Київ)

Захист відбудеться 30.03.2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500,Донецька обл. м. Маріуполь, вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету (87500, м. Маріуполь Донецької області, вул. Апатова, 115)

Автореферат розісланий 14.02. 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.12.052.01

доктор технічних наук, професор ____________ Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідною умовою прогресу промислового виробництва є удосконалювання технологічних процесів з'єднання і обробки матеріалів. Тому важко переоцінити значення розробки нових і удосконалення існуючих способів зварювання і наплавлення, заснованих на використанні дугового розряду як найбільш доступного і дешевого джерела теплової енергії. На жаль, подальший розвиток дугових і плазмових технологій наштовхується на істотні труднощі, зв'язані з недостатньою густиною енергії в електродуговій плазмі і нестійкістю горіння дуги при великих швидкостях руху щодо оброблюваного виробу. У зв'язку з цим дуговий розряд як технологічний засіб для реалізації процесів зварювання і металообробки не задовольняє сучасним вимогам промисловості у відношенні продуктивності зазначених процесів і якості продукції. З іншого боку, можливості плазмового зварювання і наплавлення не використані повною мірою. Це пояснюється: недостатністю знань теплового енергетичного балансу, електроенергетичних характеристик, процесу плавлення електродного металу, що необхідно для вибору оптимальних конструкцій плазмотронів, уточнення електричних схем джерел живлення, установок; виборів оптимальних режимів зварювання і наплавлення; відсутністю гами наукових досліджень по удосконаленню технології обробки і зварювально-наплавлених матеріалів, що враховують особливості процесів, які відбуваються при плазмової обробці. Тому науковою задачею в першу чергу є розширення можливостей ефективного застосування способів плазма-ТІГ (з використанням додаткового вольфрамового (неплавкого) електроду) і плазма-МІГ (з використанням додаткового плавкого електроду), удосконалення їх на основі наукових даних з метою підвищення їхньої продуктивності і якості.

У дисертації автор спирався на теоретичні положення і практичні результати, викладені в роботах фахівців ІЕЗ ім. Патона, НТУ “КПІ”, МВТУ ім. Баумана, ДДМА, ПДТУ, німецької фірми „Schwelmer Eisenwerk / Muller und Коmраnі” і фірми “Філіпс”.

Результати відомих досліджень плазмово-дугових способів зварювання і наплавлення свідчать про доцільність і високу ефективність їхнього практичного застосування. Тому розробка нових (більш якісних) і удосконалення існуючих способів плазмово-дугових зварювання і наплавлення, а також створення пристроїв для їхньої реалізації з метою збільшення продуктивності і ефективності технологічного процесу, зниження його собівартості і підвищення якості продукції є актуальною науково-технічною проблемою, тим більше актуальної в умовах становлення ринкових відносин в Україні, коли приватна ініціатива і закордонні інвестиції спрямовані на створення високоефективних і енергозберігаючих виробництв. Рішення цієї складної проблеми неможливо без проведення комплексу теоретичних досліджень і математичного моделювання плазмових процесів, розробки пристроїв різного технологічного призначення, що і є центральною задачею даної роботи.

Актуальність теми підтверджується тим, що розробка ряду її розділів інвестувалася за рахунок приватних підприємств Донецько-придніпровського регіону, а також темами НДДКР Міністерства освіти і науки України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на основі програм НІР “Ресурсосберігаючі технології і енергозбереження” разом із заводом “АІЗ-Енергія” (м. Слов'янськ) у 2000-2002р., тем НДДКР Міністерства освіти і науки України “Розробка економно легованих матеріалів та дослідження впливу попередніх обробок на підвищення механічних властивостей” категорія 040201 №держ. реєстрації 0100U002578 (2000-2002 рр.) і “Підвищення довговічності деталей машин за рахунок розробки зносостійкого наплавленого матеріалу і нових технологій зміцнення” № держ. реєстрації 0103U001475 (2003-2005рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є підвищення техніко-економічних показників процесів плазма-ТІГ і плазма-МІГ на підставі розвитку науково-обґрунтованого комплексу методологічно – експериментальних методів визначення характерних особливостей плазвомового процесу і розробки практичних рекомендацій по удосконаленню технології і устаткування для зварювання і наплавлення широкою гамою матеріалів. Відповідно до зазначеної мети в цій роботі необхідно вирішити наступні задачі:

- удосконаливши методику для експериментального визначення електроенергетичних характеристик плазма-ТІГ і плазма-МІГ процесів, уточнити статичні і динамічні вольт-амперні характеристики дуги при плазмовому зварюванні (наплавленні) і вивчити вплив полоциліндричної дуги на характеристики масоперенесення електродного металу, перехід легуючих елементів; визначити вплив параметрів режимів зварювання (наплавлення), конструктивних особливостей плазмових пальників на ефективність нагрівання виробу, стійкість вольфрамового електроду і виявити фактори, що впливають на якість наплавленого металу; дослідити особливості збудження “стиснутого” дугового розряду з метою удосконалення джерел живлення, плазмотронів і зварювальних установок;

- розширити інженерні методи визначення впливу плазмово-газового потоку на оброблюваємий метал і встановити його оптимальне значення при плазма-ТІГ процесі на перемінному струмі з повним проплавленням алюмінієвого сплаву товщиною до 10 мм;

- визначити характерні риси розподілу тепла і термічні цикли при нагріванні виробу та розробити методичний комплекс прогнозування і управління процесом попереднього підігріву основного металу за рахунок варіювання струму поло циліндричної дуги;

- розробити методи управління властивостями металу шва, запропонувати принципи його легування і розробити гаму порошкових дротів, які забезпечують не тільки заданий склад і якість наплавленого металу, але і розширювальний діапазон режимів стабільного протікання плазма-МІГ процесу;

- розробити конструкції плазмотронів під різні види наплавочних матеріалів (порошковий дріт, плющенку) і електричні схеми спеціалізованих установок для стійкої їхньої роботи з метою забезпечення стабільного протікання процесу наплавлення.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процеси плазма-ТІГ зварювання і плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є енергетичні особливості плазма-ТІГ і плазма-МІГ процесів, розподіл теплової енергії, характер плавлення електроду, формування наплавлювального шару, визначення складів порошкових дротів для плазма-МІГ наплавлення і вимог до плазмотронів.

Методи дослідження: 1) синхронне осцилографування і швидкісна кінозйомка (дослідження вольт-амперних характеристик, шунтування плазмової дуги, процесу плавлення плавкого електроду і стійкості неплавкого електроду); 2) математичне моделювання (вивчення теплового процесу в порошковому дроті при плазма-МІГ способі); 3) калориметричні виміри теплових втрат у вузлах плазмотронів і в зварювальних зразках; 4) кількісна макро- і мікроскопія (розміри структурних зон); 5) оптична мікроскопія (мікротвердість структурних складових); 6) апаратурний добір проб ТСЗА і ГСЗА (визначення впливу робочих режимів плазмових процесів зварювання і наплавлення на їх екологічність).

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі узагальнені результати досліджень по актуальному науковому напрямку – розвитку високоефективних плазмово-дугових процесів обробки матеріалів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше встановлені закономірності зміни енергетичних параметрів окремих зон плазмової ТІГ дуги перемінного струму, їхній розвиток у просторі і часі. Визначено нерівномірне контрагирування дуги по перетину: усередині стовпа дуги формується яскраво світле ядро (де контрагирування дуги досягає максимуму), вивчена динаміка його утворення. Встановлено залежність відносини діаметра ядра до діаметра стовпа дуги від густини струму в плазмоутворюючому каналі сопла. Вперше визначено, що при густині струму в плазмоутворюючому каналі плазмотрону більш 17 А/мм2 діаметр ядра складає 25% від діаметра стовпа, при цьому збільшується стійкість вольфрамового неплавкого електроду, а в наплавленому металі різко знижується кількість вольфрамових вкраплень. На підставі встановлених закономірностей отримані вихідні дані для створення устаткування для плазма-ТІГ процесу на перемінному струмі, а також для розробки режимів плазма-ТІГ зварювання і наплавлення на перемінному струмі, які виключають появу в наплавленому металі дефектів у виді вкраплень вольфраму і забезпечують високу підвищувальну стійкість вольфрамового електроду в 1,2 – 1,5 рази.

2. За допомогою удосконаленої методики виміру силового впливу плазмово-газового потоку враховані сили Лоренца, що діють безпосередньо в зоні зварювання, які беруть участь у переміщенні металу ванни і у перерозподілі струму по перетину ванни, що дозволяє встановлювати залежності силового впливу газового потоку від режимів зварювання (наплавлення) і врахувати їх при формуванні зварювального шва і наплавленого валика при плазма-ТІГ процесі. Вперше встановлено: при плазма-ТІГ процесі на перемінному струмі з повним проплавленням основного металу силовий вплив дуги складає (5...7)10-2Н, що дозволяє оптимизувати режими плазма-ТІГ зварювання і наплавлення, зменшити глибину проплавлення основного металу при плазма-ТІГ наплавленні до 0,3-0,6 мм.

3. Углублені уяви про закономірності впливу полоциліндричної дуги на плавлення електроду при плазмовому способі зварювання і наплавлення. Встановлено, що домінуючим параметром впливу полоциліндричної плазмової дуги на характер переносу електродного металу при плазма-МІГ процесі є зміна конусної форми перешийка краплі, яка формується. Встановлено залежність довжини конічного перешийка від величини струму плазмової дуги: зі збільшенням струму плазмової дуги з 150 до 300 А відбувається подовження конуса від 0,5-1 мм до 1,5-2,0 мм. Встановлено закономірність плавлення оболонки і осердя порошкового дроту при плазма-МІГ процесі: внаслідок нагрівання плазмової дугою прискорюється процес плавлення осердя; виступаючий за межі оболонки штифт зменшується, здобуває конічну форму (при цьому, частина металу оболонки, яка розплавилась, стікає по осердю), перенос металу йде практично по осі дуги (відхилення краплі від осьового напрямку вкрай рідкі), що дозволяє розробляти високопродуктивні (форсовані) режими наплавлення великогабаритних деталей з великим обсягом наплавленого металу плазма-МІГ способом з підвищенням продуктивності наплавлення до 3-3,2 разів.

4. Вперше визначені загальні закономірності нагрівання поверхні виробу при плазма-МІГ процесі. Встановлено, що тепловий потік від полоциліндричної дуги розподіляється рівномірно по ширині, рівної діаметрові каналу плазмоутворюючого сопла, у той момент, коли в зоні нагрівання плазмової дугою проходить передній фронт ванни, яка виникла під впливом плавкого електроду; крапля електродного металу попадає у ванну невеликої глибини (у порівнянні з ванною, властивої іншим процесам дугового зварювання плавким електродом) попередньо підплавленого основного металу. Визначено сумарну залежність густин теплових потоків від плазмової дуги і дуги плавкого електроду з метою регулювання тепловложення у вироб шляхом вибору необхідних для оптимального попереднього підігріву поверхні параметрів режиму наплавлення. Встановлено, що витрати плазмоутворюючого газу (при інших незмінних параметрах режимів) не впливають на величину тепловложення: тепловложення у виріб складається із суми потоків енергії від плазмової дуги і від дуги плавкого електрода. Отримані дані дозволяють розробляти режими плазма-МІГ наплавлення, які забезпечують частку основного металу в наплавленому шарі в межах 2-3%.

5. Встановлено і підтверджено закономірності саморегулювання довжини дуги плавкого електроду при плазма-МІГ наплавленні порошковою плющенкою із застосуванням розробленого двуханодного плазмотрону, які показують: ефективність процесів саморегулювання довжини дуги - недостатня для проведення стабільного процесу наплавлення, що є наслідком наявності двох могутніх зовнішніх джерел іонізації (плазмових дуг неплавких електродів), у результаті чого градієнт спадання напруги в дузі плавкого електрода зменшується, знижується і ефективність саморегулювання довжини дуги плавкого електрода; ефективність процесу саморегулювання довжини дуги плавкого електрода (порошкової плющенки) при плазма-МІГ процесі підвищується шляхом забезпечення регламентованої взаємозалежності приросту струму плазмової дуги від приросту струму дуги плавкого електрода, яка складає DIплазм = (0,3ё0,6)DIПЕ, що приводить до стабілізації процесу наплавлення.

Практичне значення отриманих результатів. На основі даних, отриманих по уточненню вольт-амперних характеристик, розроблене універсальне джерело живлення, яке дозволяє стабілізувати процес плазмового наплавлення порошковим дротом. Уточнені дані електроенергетичних характеристик плазма-ТІГ зварювання, які дозволяють найбільше точно встановлювати оптимальні режими при розробці технологій зварювання алюмінію і його сплавів, необхідно враховувати при створенні і удосконаленні джерел живлення, плазмотронів.

Удосконалена методика наукових досліджень по визначенню електроенергетичних характеристик плазмових процесів, що дозволяє найбільше повно використовувати технологічні можливості дугового зварювання (наплавлення): підвищити їхню якість і продуктивність (при використанні плазма-ТІГ процесу за рахунок розроблених рекомендацій з вибору форсованих режимів, які забезпечують високу стійкість вольфрамового неплавкого електроду з одночасним зниженням кількості вольфрамових вкраплень у зварювальному шві; при використанні МІГ плазмового процесу за рахунок забезпечення рівномірного стабільного розподілу легуючих елементів з порошкового електрода в наплавлений метал при мінімальному впливі основного металу, що дозволяє одержувати високолегований шар при одношаровому наплавленні і, тим самим, знизити собівартість наплавлення в 2-3 рази). З урахуванням результатів дослідження розроблені техніка і технологія одношарового плазма-МІГ наплавлення, а також склади порошкових дротів, що забезпечують високоякісне наплавлення виробів.

Встановлені закономірності нагрівання поверхні виробів при плазма-МІГ процесі, що дозволило регулювати тепловложення від полоциліндричної дуги і дуги плавкого електроду, керувати процесами плавлення порошкового дроту і основного металу.

Розроблено принципи і рекомендації щодо побудови плазмотронів для плазма-МІГ наплавлення з застосуванням в якості плавкого електроду плющенки, що розширює можливості даного технологічного процесу. Створено спеціалізовану установку.

Запропоновано гаму складів порошкових дротів, що забезпечують не тільки заданий склад і якість наплавленого металу, але і розширюють діапазон режимів стабільного протікання плазма-МІГ процесу.

Розроблено конструкції і виготовлено ряд плазмотронів під різні види наплавочних матеріалів (порошковий дріт, плющенку) і установки, які забезпечують стабільність процесу наплавлення і високу якість наплавленого металу.

Удосконалено спосіб плазма-МІГ наплавлення з використанням в якості плавкого електроду порошкового дроту.

Розроблено спеціалізовані установки для плазма-МІГ методу на імпульсних режимах.

Визначено механізм валових виділень зварювальних аерозолей і вплив параметрів режиму плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом на виділення аерозолю.

Проведено промислове впровадження розробок. На основі проведених досліджень і розробок було виготовлене устаткування і порошковий дріт, які упроваджені: а) на “АІЗ-Енергія” (м. Слов'янськ) при наплавленні чавунних прес-форм для виробництва скляних ізоляторів. Застосування розробленого наплавочного матеріалу забезпечило підвищення стійкості до термоциклічних навантажень наплавлених прес-форм у 2,2 рази в порівнянні з виготовленими з чавуна СЧ-21-40, при цьому річний економічний ефект склав 152770 грн. у цінах 2002 р.; б) на Агрофірмі “Шахтар” ОП “Шахта ім. Засядько” (м. Слов'янськ) при плазмовому наплавленні з аксіальною подачею плющенки ходових коліс з наплавленим шаром гусеничних тракторів. Застосування нової технології виготовлення ходових коліс забезпечило одержання річного економічного ефекту 1229913 грн. у цінах 2005 р.; в) на ДП “УкрНІІметалургмаш” (м.Слов'янськ) при плазмовому наплавленні порошковим дротом і плющенкою дослідної партії (з 11 штук) штоків гідроциліндрів. Очікуваний економічний ефект склав 35914 грн. у цінах 2005 р. Крім того, матеріали дисертаційної роботи використовуються кафедрами зварювального виробництва: Донбаської державної машинобудівної академії (м.Краматорськ) і Приазовського державного технічного університету (м.Маріуполь) у рамках викладання спеціальних дисциплін.

Особистий внесок здобувача полягає в розвитку теоретичних і технологічних основ плазмового зварювання і наплавлення плавким і неплавким електродами. Здобувачем особисто розроблена концепція комплексного аналізу факторів, які впливають на рівень якості і експлуатаційну довговічність виробів, виготовлених із застосуванням плазмового зварювання і наплавлення плавким і неплавким електродами, а також на продуктивність цих плазмових процесів. Здобувачем самостійно проведена постановка експериментів, особисто оброблені і узагальнені результати лабораторних і промислових досліджень, виконаних як самим автором, так і при особистій його участі. Здобувач брав безпосередню участь як виконавець у виконанні госпдоговірних і держбюджетних науково-дослідних робіт, результати яких використані в даній дисертації. Він брав участь у розробці технічної і технологічної документації, у впровадженні результатів дисертації у виробництво і їхній авторський супровід при експлуатації. Результати експериментальних досліджень, їхнє узагальнення, розробки по оптимізації технології виробництва, опубліковані в співавторстві, належать здобувачеві на рівноправній партнерській основі.

Основні наукові положення, розробки, висновки і рекомендації, які виносяться на захист, отримані автором самостійно. Основні результати дисертації одноосібно викладені автором у 16 опублікованих роботах [6, 7, 11, 25, 26, 30-33, 38, 41, 44, 52-55] і в роботах [1-5, 8-24, 27-29, 34-37, 39, 40, 42, 43, 45-51], де пайова участь автора складає не менш 35%, захищені 11 авторськими посвідченнями на винаходи і 5 патентами, у яких автор брав участь у розробці складів порошкових дротів, зварювальних і наплавочних установок, способу плазмового процесу. Особистий внесок автора в наукові праці, опубліковані в співавторстві, конкретизовані у списку публікацій по темі дисертації.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на міжнародних науково-практичних конференціях: „Проблемы сварки, металлургии и родственных технологий” (Тбілісі, 2000, 2002, 2003 рр.), „Инженерия поверхности и реновация изделий” (Феодосія, 2001 р.), “Сварка и контроль 2004” (Пермь, 2004 р.), “Сварные конструкции” (Київ, 2000 р.), “Сварка и родственные технологии 2002” (Київ, 2002 р.), “Прогрессивные технологии сварки в промышленности” (Київ, 2003 р.), “Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2003 р.), “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций” (Київ, 2003 р.), “Организация и технология ремонта машин, механизмов, оборудования” (Київ, 2002 р.), “Проблемы обеспечения качеством в сварочном производстве” (Київ, 2001 р.), “Композиционные материалы в промышленности” (Ялта, 2005р.), “Защита окружающей среды, здоровья, безопасность в сварочном производстве” (Одеса, 2002р.),“Сварочные материалы” (Орел, 2001 р.), “Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах” (Маріуполь, 2000 р.), “Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров” (Маріуполь, 2001 р.), “Современные проблемы сварки, наплавки и материаловедения” (Маріуполь, 2005 р.), “Современные средства автоматизации и компьютерно-интегрированные технологии” (Краматорськ, 2003 р.), а також доповідалися на регіональних науково-технічних конференціях (Маріуполь, 2000-2005 рр.).

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані у 55 роботах, у тому числі 44 науково-технічних статті у спеціалізованих виданнях ВАК України; нові технічні рішення захищені 16 авторськими посвідченнями і патентами.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація має загальний обсяг 437 сторінок, включаючи 277 сторінок машинописного тексту; 123 рисунки; 28 таблиць; список літератури з 492 найменувань, 6 доповнень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Описано об'єкт і методи дослідження, відзначені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів із вказівкою особистого внеску автора.

Розділ 1. Стан питання. Проведено аналіз особливостей основних процесів плазмового зварювання і наплавлення. Встановлено, що найбільш ефективними (серед дугових процесів зварювання і наплавлення) є плазмово-дугові способи, причому для зварювання (наприклад, алюмінію і його сплавів) – плазма-ТІГ процес на перемінному струмі або зворотній полярності (Рис.1), а для наплавлення – плазма-МІГ процес із застосуванням у якості плавкого електроду порошкових дротів при зворотній полярності обох дуг (Рис. 2). Застосування плазма-ТІГ процесу при зварюванні алюмінію забезпечує зниження енерговитрат на 30-40%, працявитрат на 40-50% у порівнянні з аргонодуговим зварюванням плавким електродом. При наплавленні великогабаритних деталей за допомогою плазма-МІГ процесу порошковим дротом енерговитрати знижуються на 40-60%, продуктивність процесу зростає в 2,5-4 рази в порівнянні із широко застосовуваним в даний час наплавленням під шаром флюсу. Виконано докладний аналіз експериментальних і теоретичних досліджень плазмових способів зварювання і наплавлення плавким і неплавким електродами.

Однак дослідження вітчизняних і закордонних фахівців і попередні експерименти автора показали, що: 1) при плазма-ТІГ процесі у визначеному діапазоні параметрів режиму має місце руйнування вольфрамового електроду і перенос вольфраму в наплавлений метал, при цьому припустимі (для даного діаметра вольфрамового електрода) струми не перевищувалися. Більш того, спостерігалося прискорене руйнування вольфрамового електрода на малих струмах; 2) при плазма-МІГ процесі з використанням порошкового дроту можливі порушення стабільності процесу, яке викликається шунтуванням дуги, засміченням сопла плазмотрона і т.і. Крім того, відсутність спеціалізованого устаткування для плазма-МІГ процесу, а також великої кількості даних з екологічних характеристик плазма-ТІГ і плазма-МІГ зварювання і наплавлення гальмують широке застосування цих ефективних методів нанесення покрить у промисловості.

Рис.1.Схема плазма-ТІГ зварювання з застосуванням вольфрамового електрода: А- подача плазмоутворюючого газу; Б - подача захисного газу; 1 – неплавкий електрод; 2- захисне сопло; 3 - плазмоутворююче сопло; 4 - виріб; 5 - плазмова дуга; 6 - джерело живлення. |

Рис. 2. Схема процесу плазма-МІГ наплавлення:

А- подача плазмоутворюючого газу; Б - подача захисного газу; В- напрямок подачі плавкого електрода; 1 – плавкий електрод; 2- струмопідвід; 3- кільцевий неплавкий електрод; 4 – формуюче плазмове сопло; 5 – захисне сопло; 6 - плазмова дуга; 7 - дуга плавкого електрода; 8 - виріб; 9 – наплавлений валик; 10 - джерело живлення.

Розділ 2. Дослідження електроенергетичних характеристик плазмового зварювання неплавким електродом і ефективності нагрівання плазмової дугою. Для визначення електроенергетичних характеристик плазмових процесів була застосована удосконалена методика, яка дозволяє досліджувати статичні і динамічні характеристики плазмових дуг постійного і перемінного струмів, заснована на реєстрації струму і напруги дуг магнітоелектричним дванадцятиканальним шлейфним осцилографом (МЭО) і двухкоординатним електронопроміневим катодним осцилографом (ЭЛО), синхронізованими зі швидкісною кінозйомкою камерою СКС_М и фотозйомкою дзеркальною фотокамерою “Зеніт-3” (ФК).

Синхронізація здійснювалася за допомогою електронного пристрою керування, яке складається з електронних блоків, що забезпечують високу точність запису перерви у світінні неонової лампи (НЛ) відмітчика СКС і запису струму НЛ на осцилографі МЭО, запуск і включення усіх вимірювальних і реєструюючих приладів (для визначення характеру плавлення електродного дроту при плазма-МІГ процесі до осцилографу (МЭО) підключалися провідники (від шунта і щупів) від кільцевого електрода і виробу; як підсвічування використовувалася плоска нитка лампи накалювання (ЛН)). Уточнено статичні вольт- амперні характеристики плазма-ТІГ зварювання. Була проведена серія експериментів, необхідних для порівнянь умов існування і властивостей розряду при плазма-ТІГ зварюванні: 1) при фактично неплавких електродах; 2) при інтенсивно випаровуючому електроді-виробі. В якості зварювального металу і другого електроду служили пластини з алюмінію, сплаву АМг6, міді, графіту, а також вольфрамовий стрижень діаметром 10 мм, запресований у мідний водоохолоджуючий тримач. Зварювання велося з повним проплавленням алюмінію і сплаву АМг6 на підкладці, яка не розплавлюється, зі сталі Х18Н9Т. В експериментах використовували плазмотрон з діаметром мідного сопла 2 - 3 мм, вольфрамовий електрод, діаметром 8 мм. У якості джерела живлення використовувався трансформатор з UХХ = 120 В. Дуга збуджувалася за допомогою осцилятора. У результаті проведених експериментів із застосуванням удосконаленої методики були уточнені статичні вольт-амперні характеристики плазмової дуги при плазма-ТІГ процесі, а також установлена їх залежність від витрат плазмоутворюючого газу: збільшення витрати плазмоутворюючого газу приводить до росту напруги плазмової дуги і її проплавляючої здатності. У відповідність з коливаннями напруги джерела живлення, які викликають зміни величини і напрямку електричного поля між електродами, параметри дуги безупинно змінюються з частотою 50 Гц, однак ефективні значення електричних параметрів дуги (IЗВ, UД), які існують протягом досить тривалого часу, можливо усередити. Від звичайних дугових способів зварювання плазмової дугою відрізняє те, що густина струму може бути змінена шляхом регулювання діаметра каналу сопла і витрати газу.

За даними осцилограм уточнені динамічні характеристики плазма-ТІГ зварювання. Отримано залежності динамічних характеристик (при прямій і зворотній полярності): 1) від величини струму в напівперіоди, які показують, що (при однаковому діаметрі каналу сопла і незмінних інших параметрів режиму зварювання) зі збільшенням значення струму гистерезис зростає; 2) від витрат газів у напівперіоди, які показують, що максимальне миттєве значення напруги зростає тільки в напівперіод прямої полярності, тому що зустрічний потік газу перешкоджає рухові іонів (особливо в прикатодній області, яка інтенсивно обдувається аргоном); 3) від зміни довжини дуги в напівперіоди, яка показує, що гистерезис висхідних і спадних галузей зростає зі збільшенням швидкості наростання струму. Дослідження показали, що подовження дуги (за рахунок збільшення нестисливої ділянки стовпа) приводить до підвищення напруги, особливо значно в напівперіод зворотної полярності. Величина гистерезиса для дуг різної довжини істотної зміни не перетерплює. На кинограмах чітко видна зміна стовпа дуги, починаючи від загасання (майже повна утрата світіння) і закінчуючи максимальним розширенням. Період такої пульсації дорівнює періодові зміни електричного поля, яке задається джерелом живлення.

Відомо, що температура в стовпі плазмової дуги може досягати 320000С, що в 6-8 разів вище температури вільної дуги в аргоні при аргонодуговому зварюванні, тому в сталому режимі (завдяки високому ступеневі іонізації і температурі в центральній частині плазмової дуги) перерви в горінні дуги, характерні для дуги перемінного струму, не приводять до появи значних піків запалювання і повторне запалювання дуги відбувається мимовільно (без подачі підпалюючих імпульсів). Це дозволяє відключити збудника дуги (осцилятор) при виході процесу на сталий режим (практично через 2-3 с після порушення основної дуги). Проте, процес повторного порушення дуги при плазма-ТІГ процесі (на перемінному струмі) у даний час не вивчений у достатньому ступені. Тим паче, що плазмові зварювання і наплавлення на перемінному струмі неплавким електродом застосовуються (в основному) для алюмінію, магнію і їхніх сплавів, проведені дослідження з впливу режимів зварювання на процес повторного запалювання дуги і якість наплавленого металу. Встановлено, що у визначеному діапазоні параметрів режиму має місце руйнування вольфрамового електроду і перенос вольфраму в наплавлений метал, при цьому припустимі (для даного діаметра вольфрамового електрода) струми не перевищувалися. Більш того, спостерігалося прискорене руйнування вольфрамового електроду на малих струмах. Так, на струмах 90 А йшло швидке руйнування вольфрамового електроду (при цьому, на рентгенівських знімках наплавлених валиків спостерігалося велике число вкраплень вольфраму: до 47 на 1200 мм наплавленого валика). При підвищенні струму дуги до 260 А (за інших рівних умов наплавлення) робочий кінець електрода зберігав свою первісну форму, а кількість включень вольфраму в наплавленому валику скорочувалося до 1 на 1200 мм наплавлення (при цьому, на ряді зразків вольфрамові вкраплення взагалі не виявлялися).

Таким чином, на стійкість вольфрамового електроду і на наявність вкраплень вольфраму в наплавленому металі впливає ступінь стиску плазмової дуги, тобто густина струму в плазмоутворюючому каналі сопла плазмотрона. На Рис.3 показані робочі частини вольфрамових електродів у залежності від густини струму в плазмоутворюючому соплі. Застосовувалося сопло діаметром 3,0 мм. Слід зазначити, що серія експериментів із соплами інших діаметрів не дала яких-небудь істотних відмінностей по характеру руйнування вольфрамового електрода в залежності від густини струму в плазмоутворюючому каналі сопла плазмотрона. |

Рис.3. Зміна робочої частини вольфрамового електроду від густини струму (j) у каналі сопла плазмотрона dЕ = 8 мм; dС = 3,0 мм; lД = 6,0 мм; QПЛAr = 8 л/хв.

а) j = 36,8 А/мм2; I = 260 А;

б) j = 17 А/мм2; I = 120 А;

в) j = 12,7 А/мм2; I = 90 А;

г) j = 7,08 А/мм2; I = 50 А.

При густині струму 36,8 А/мм2 у плазмоутворюючому каналі сопла плазмотрона робочий торець електрода здобуває форму сфери і зберігає її постійно. При зниженні густини струму до 17 А/мм2 на сферичній частині в центрі з'являється вістря (у цьому режимі має місце незначний перенос вольфраму в наплавлений метал: 2ё5 вкраплень на 1200 мм наплавленого валика). В обох випадках діаметр ядра складає 0,25 діаметра стовпа плазмової дуги. При зниженні густини струму до 12,7 А/мм2 діаметр ядра стає малий (до 0,1 діаметра плазмової дуги), при цьому ядро не доходить до виробу, а на поверхні утвориться кратер, найчастіше неправильної форми. При подальшому зниженні густини струму спостерігається зменшення ядра в стовпі дуги, у результаті робоча частина електрода здобуває неправильну форму, а кратер збільшується. При густині струму 7,08 А/мм2 ядро відсутнє, а у результаті - на робочому торці електрода формуються дві-три окремі оплавлені зони, між якими знаходиться неоплавлений вольфрам, а кількість вольфрамових вкраплень у наплавленому валику доходить до 47 на 1200 мм валика. Слід зазначити, що установка в плазмотрон вольфрамового електрода з попередньо сформованою робочою сферичною поверхнею (у випадках низьких густин струму в соплі плазмотрона (Рис.3, б, в, г)) не дає ніяких результатів. Після 120 с роботи огляд електродів показав, що вони мають характерні ознаки руйнування, що відповідають Рис.3, б, в, г. Встановлене, що з підвищенням густини струму росте температура дуги, при цьому в осьовій частині дуги формується найбільш яскраве ядро, що має максимальну температуру. При загасанні дуги наприкінці кожного напівперіоду саме в ядрі зберігається найбільша кількість вільних носіїв зарядів і чим більше діаметр ядра, тим легше утворюються і розширюються на початку наступного напівперіоду зварювального струму активні плями на електроді, при цьому густина струму в активній плямі зменшується, що приводить до зменшення локального нагрівання електроду і попереджає його місцеве руйнування в момент повторного запалювання дуги.

Удосконалена методика (Рис. 4) дослідження силового впливу плазмово-газового потоку дозволяє враховувати сили Лоренца, які діють безпосередньо в зоні зварювання, що беруть участь у переміщенні металу ванни і у перерозподілі струму по перетину ванни, що дозволяє встановити вплив силового тиску газового потоку від режимів зварювання (наплавлення) і врахувати його при формуванні зварювального шва і наплавленого валика при плазма-ТІГ процесі.

Рис.4. Спосіб виміру силового впливу зварювальної дуги на ванну розплавленого металу і пристрій для його здійснення

1 – чуттєвий елемент; 2 – пластина; 3 – трубка; 4 – затиск; 5 – плоскопаралельні пружини; 6 – стійка; 7 – плита; 8 – балка; 9 – мікрометричний механізм переміщення; 10 – кульковий упор; 11 – тензодатчики; 12 – пристосування; 13 – водоохолоджуєма пластина; 14 – соленоїд; 15 –демпфер;

16 – електрод

Здійснення струмопідводу коаксіально подовжньої осі електроду дає можливість одержати розподіл густини струму в металі ванни, близький до виникаючого в реальному процесі зварювання, що відіграє істотну роль при визначенні результуючих об'ємних сил Лоренца в металі зварювальної ванни.

Прогин поверхні рідкого металу зварювальної ванни обумовлен як сумарною дією сили, обумовленої статистичним надлишковим тиском дуги на поверхню зварювальної ванни, так і дією об’ємних сил cтрумов в металі зварювальної ванни, при цьому об’ємні сили cтрумов, які діють у нерозплавленому металі, тобто за межами рідкого металу зварювальної ванни, ніякого впливу на прогин поверхні металу зварювальної ванни не роблять. Отже, практичний інтерес представляє вимір саме сумарної сили, яка викликає прогин зварювальної ванни. Для цього необхідно виключити дію об’ємних сил cтрумов за боковими межами зварювальної ванни на датчик переміщення чуттєвого елемента. Це досягається шляхом здійснення cтрумовідводу до обсягу металу зварювальної ванни. Такий спосіб виміру силового впливу зварювальної дуги на ванну розплавленого металу дозволяє одержати достовірні дані про величину сумарної сили, яка викликає прогин ванни (або видування металу при визначеній силі в дузі), що становить практичний інтерес для зварників. Експериментально встановлено, що при повному проплавленні плазмовою дугою перемінного струму пластини зі сплаву Амг6 (товщиною 10 мм, на реальних режимах зварювання) силовий вплив дуги складає (5...7)Ч10-2H.

Для виміру теплових ефектів плазмових процесів і обробки матеріалів використовували високотемпературний калориметр-інтегратор ізотермічного типу, реконструйований таким чином, щоб проводити дослідження зразків безпосередньо в процесі зварювання і наплавлення. Теплова ефективна потужність досліджувалася на зразках зі сплавів АМг6, (плазма-ТІГ) і чавунних пластинах (плазма-МІГ) у межах робочих режимів зварювання і наплавлення. Були встановлені умови підвищення термічного ККД у залежності від параметрів режиму. Збільшення термічного ККД відбувається не тільки за рахунок поширення тепла в напрямку руху джерела, але і за рахунок перегріву металу ванни. Була проведена серія наплавлень на товстій пластині АМг6 пальником, у якій електрод розташовувався ексцентрично в каналі сопла, (для того, щоб метал ванни викидався нерівномірним газовим потоком на одну з крайок). На правильне півколо перетину шва накладається зона, розплавлена під валиком відкинутого металу. Очевидно, тепломісткості прогрітого металу ванни досить для розплавлювання частини біляшовної зони.

Термічний ККД процесу проплавлення рухливим лінійним джерелом залежить від відношення ефективної потужності дуги до товщини пластини і зростає зі зменшенням коефіцієнта температуропровідності і тепломісткості основного металу.

Розділ 3. Дослідження плавлення, переносу електродного металу при плазма-МІГ процесі. Тепло- і електроенергетичні характеристики плазма-МІГ наплавлення. Одним з основних вимог до способів зварювання і наплавлення порошковим дротом є забезпечення рівномірності плавлення осердя, який має низьку електропровідність металевої оболонки. З метою визначення основних особливостей плазма-МІГ процесу розроблена його математична модель (1) – (5).

0 < r < R1 (1)

R1< r < R2 (2)

(3)

q(t)= (4)

(5)

де l1 (Т), Сv1(T), l2(T), Cv2(T) – теплопровідність і питома об'ємна теплоємність відповідно порошкового осердя і оболонки дроту, при теплофізичних характеристиках l2 і СV2, які відповідають маловуглецевій сталі 08КП.; R1 і R2 – відповідно радіуси осердя і всього дроту; qv – внутрішні джерела тепла; 1нэс – ділянка нагрівання неплавкий електрод - сопло; 1кс - довжина каналу плазмоутворюючого сопла плазмотрона; 1пт - ділянка підігріву власним струмом; 1вв - ділянка видимого вильоту.

Величина питомої об'ємної теплоємності шихти визначається з вираження

СV1(T)=СV(T)(1-П), (6)

де СV(Т) - питома об'ємна теплоємність компактного матеріалу, з якого складається шихта; П - пористість осердя, рівна 15 - 20%.

Тепловиділенням і тепловбиранням, яке відбувається за рахунок хімічних реакцій в осерді дроту, можна знехтувати. Гранична задача теплопровідності вирішується некласичним варіаційним підходом, заснованим на узагальненій лемі варіаційного вирахування. Пропонована методика дозволяє за допомогою коректування функціонала, еквівалентного вихідної крайової задачі, включати в цього функціонала крайові умови і вибирати апроксимуючий базис шуканої залежності (поле температур) з досить широкого класу функцій. Функціонал, еквівалентний задачі (1)-(5), з урахуванням дискретизації за часом, запишеться на деякому К-му кроці:

(7)

Функціонал (7) фактично являє собою так названий енергетичний функціонал, узагальнений з позиції включення в нього крайових умов (перетворення їх з головних, якими вони були для енергетичного функціонала у вихідному виді, у природні).

У вираженні (7)

Рішення поставленої задачі, мінімізуюче функціонал (7), відшукується у виді статичного ряду , де як базис ji обрані координатні функції (1, r, r2, r3, …). Невідомими при пошуку екстремума є коефіцієнти базису Сi, а процес мінімізації здійснюється по методу Ритца. Оскільки FK[T] = FK(C1, C2, C3, …CN), то необхідна умова існування екстремума функціонала буде мати вигляд:

при i = 1, 2, …, N...

Обчислюючи частинні похідні, одержуємо на кожнім К-м кроці систему лінійних рівнянь відносно ;

(8)

де матриця лівої частини симетрична (aij = aji).

Вид функціонала (7) визначає, що величини aij і bj являють собою скалярні добутки від відповідних функцій, визначені в просторі L2. Інтегрування при розрахунку коефіцієнтів і правих частин системи (8) виробляється по квадратурній формулі Гаусса з подвоєною точністю (при 32-х вузлах), після система вирішувалася методом виключення. Початковий розподіл температур в об'єкті задавалося вибором коефіцієнтів на нульовому кроці відповідно до заданої вихідної температури. Таким чином, у результаті рішення на кожнім К-м кроці, одержуємо значення коефіцієнта , мінімізуючого функціонал . Ці коефіцієнти визначають вид функції (статечного ряду), що є рішенням поставленої крайової задачі на К-м кроці.

Загальний вид апроксимуючої функції шуканих температур від семи параметрів наступний:

(9)

де В0, Bj, Bjj і Bjl - коефіцієнти; Zj, Zl - сім опорних параметрів.

Отримані значення коефіцієнтів У дозволяють знайти кореляційні зв'язки параметрів Zj і, що найбільше важливо, оцінити і провести ранжирування впливу кожного з параметрів на шукані температури. Останнє визначається відношенням коефіцієнтів Bj при відповідних параметрах Zj до опорного коефіцієнта В0.

Розроблена математична модель теплового процесу в порошковому дроті при плазма-МІГ наплавленні дозволила (на підставі рішення загального диференціального рівняння теплопровідності з початковими і граничними умовами, яке моделює нагрівання порошкового дроту в плазмотроні) визначити теплофізичний стан порошкового дроту, що дозволяє встановлювати аналітичні залежності визначення теплопровідності шихти порошкового дроту. На підставі отриманих даних була розроблена гама порошкових дротів для наплавлення.

При наплавленні способом плазма-МІГ