Разработка способа и устройства для импульсно-дуговой сварки и наплавки в защитных газах плавящимся электродом

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Юргинский технологический институт

Направление подготовки (специальность) 150202 «Оборудование и технология сварочного производства»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Разработка способа и устройства для импульсно-дуговой сварки и наплавки в защитных газах плавящимся электродом

Юрга - 2014 г.



Реферат

дуговая сварка электродный

Выпускная квалификационная работа содержит 86 листов, 38 рисунков, 64 источника, 2 приложения.

Ключевые слова: импульсно-дуговая сварка, энергоэффективность, нагрев проволоки, математическое моделирование, 3D-моделирование.

Актуальность работы заключается в снижении энергозатрат на процесс импульсно-дуговой сварки и наплавки.

Объектом исследования является процесс дуговой сварки плавящимся электродом, устройство для импульсно-дуговой сварки, использующее подогрев вылета электродной проволоки, модель процесса.

Цель исследования: повысить энергоэффективность процесса импульсно-дуговой сварки на базе предлагаемого устройства.

Задачи:

1. Разработать устройство, использующее подогрев проволоки током паузы;

2. Разработать расчетную модель процесса нагрева проволоки при импульсно-дуговой сварки с подогревом участка проволоки между двумя контактными наконечниками;

3. Определить рациональные режимы для данного процесса.

Работа представлена введением, 5 разделами (главами) и заключением, приведен список публикаций студента, список использованных источников.

В 1 главе «Обзор литературы» рассмотрены различные способы импульсно дуговой сварки, проведена их классификация и сравнение.

Во 2 главе «Расчеты и аналитика» разработана расчетная модель нагрева проволоки, смоделирован процесс импульсно-дуговой сварки, спроектирован второй контактный наконечник.

В 3 главе «Экспериментальные исследования» показана методика проведения экспериментов на устройстве и представлены результаты экспериментов.

В 4 главе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» рассчитана экономическая эффективность предложенного устройства в сравнении со стандартным процессом импульсно-дуговой сварки.

В 5 главе «Эргономическая и экологическая часть» показаны вердные факторы и меры борьбы с ними в лаборатории ЮТИ ТПУ.

В заключении проанализировано решение поставленных задач.



Summary

Graduate qualification work contains 83 sheets, 38 figures, 2 appendices. List of references includes 64 sources.

Keywords: pulsed-arc welding, energy efficiency, wire heating, mathematic modeling, 3D-modeling.

Relevance of the work is to reduce the energy consumption in the process of pulsed arc welding and surfacing.

Object of the research work is the process of consumable electrode arc welding; pulsed arc welding device with welding wire departure heating; and the process model.

Top priority of the research work is to improve energy efficiency of pulsed arc welding on the basis of a device suggested in the work.

Objectives of the work:

1. To develop a device with welding wire heating produced by current pause;

2. To develop a design model of wire heating during pulsed arc welding, heating wire area between two contact tips;

3. To identify rational modes for the process.

The work includes the Introductory part, five chapters and the Conclusion. List of student's publications and List of references are applied.

In Chapter I, “Literature Review” various ways of pulsed arc welding are observed, their classification and comparison are analyzed.

In Chapter II , “Calculations and analysis” a computational model of wire heating is developed, pulsed arc welding is simulated, second contact tip is designed.

In Chapter III, “Experimental Research”, experimental technique with the device is presented, data of experiments are described.

In Chapter IV, “Financial management, resource efficiency and resource conservation” cost-effectiveness of the device compared to standard pulsed arc welding is calculated.

In Chapter V, “ Ergonomic and ecological part” harmful factors and control measures, developed under Yurga Instite of Technology laboratory conditions, are presented.

In the Conclusion part decisions made on the objectives are analyzed.



Введение

В работе представлено устройство для импульсно-дуговой сварки, использующего вылет электродной проволоки как сопротивление для обеспечения тока паузы. Представлен расчет параметров устройства, а также конструкторские решения.

Устройство было создано и апробировано в стенах Юргинского технологического института национального исследовательского Томского политехнического университета. Над устройством работали: Крампит А.Г., д.т.н., доцент и Крампит Н.Ю., к.т.н., доцент.

Цель исследования: повысить энергоэффективность процесса импульсно-дуговой сварки на базе предлагаемого устройства.

В работе были подобраны оптимальные режимы, позволяющие получать наибольший к.п.д. при высокой стабильности процесса и высоком качестве сварных изделий.

Объект исследования - процесс дуговой сварки плавящимся электродом, устройство для импульсно-дуговой сварки, использующее подогрев вылета электродной проволоки, модель процесса.

Методы исследования: математическое моделирование, визуализация процесса, экспериментальные исследования, регистрация параметров сварки (осциллографирование), металлографический анализ сварных соединений, сравнение.

Задачи:

1. Разработать устройство, использующее подогрев проволоки током паузы;

2. Разработать расчетную модель процесса нагрева проволоки при импульсно-дуговой сварки с подогревом участка проволоки между двумя контактными наконечниками;

3. Определить рациональные режимы для данного процесса.

Научная новизна: по данному устройству был получен патент на изобретение.

Практическая значимость результатов ВКР: снижение энергозатрат на процесс импульсно-дуговой сварки; сварка тонколистовых металлов; восстановительная наплавка и наплавка функциональных покрытий.

Реализация и апробация работы: результаты данной работы печатались в изданиях, индексируемых базой данных Scopus, в изданиях ВАК, в различных периодический изданиях. Также работа была представлена на научно-практических конференциях различного уровня - международных, всероссийских.



Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки

В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:

Импульсно-дуговая сварка - это использование сварочного тока посредством его подачи в зону дуги кратковременными импульсами.

ИП - источник питания.



1. Обзор литературы

Управление сварочной дугой и ее свойствами необходимо для повышения стабильности горения дуги и получения направленного переноса электродного металла в сварочную ванну, что особенно актуально при сварке в положениях, отличных от нижнего, а также воздействия на процессы, протекающие в сварочной ванне в околошовной зоне (управление первичной кристаллизацией металла шва и термическим циклом в околошовной зоне) (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Способы активного воздействия на характер переноса электродного металла [1]

Импульсные процессы при сварке можно разделить на:

-сварку модулированным током;

-импульсно-дуговую сварку;

-сварка пульсирующей дугой;

-импульсная подача проволоки.

1.1 Сварка модулированным током

С целью удержания сварочной ванны в пространственных положениях отличных от нижнего сварочный ток необходимо снизить, а для обеспечения требуемых сварочно-технологических свойств электрода ток должен быть значительно больше величины, обеспечивающей удержание сварочной ванны. Сварщик решает эту задачу, выполняя электродом различные манипуляции, вплоть до обрыва дуги, что приводит к образованию дефектов, как при сварке корня шва, так и заполняющих слоев.

Выполнение указанных противоречивых требований возможно методами импульсной модуляции сварочного тока (рисунок 1.2). По сравнению со сваркой стационарной дугой, сварка модулированным током имеет ряд основных преимуществ это улучшение формирования шва во всех пространственных положениях, повышение механических свойств, сварных соединений, улучшение дегазации сварочной ванны, снижение сварочных деформаций и др. [2].

Рисунок 1.2 Циклограммы процессов сварки модулированным током [3]:а, б, в, г) низкая частота следования импульсов с изменением скорости подачи; д) изменение амплитуды при модулировании переменного тока; е) сварка разнополярными импульсами;

Дополнительные импульсы, протекающие в интервале основной паузы, обеспечивают технологическую устойчивость процесса сварки модулированным током. Их длительность и частота влияют на равномерное плавление покрытого электрода без образования “козырька”, а также при сварке корневых швов и изделий малой толщины - на поддержание существования “замочной скважины” [4].

1.2 Сварка пульсирующей дугой

Сварка пульсирующей дугой представляет собой специализированный процесс сварки со струйным переносом металла. При горении пульсирующей дуги в инертных газах может наблюдаться очень мелкокапельный перенос электродного металла. Название "струйный" он получил потому, что при его наблюдении невооруженным глазом создается впечатление, что расплавленный металл стекает в сварочную ванну с торца электрода непрерывной струей. Изменение характера переноса электродного металла с капельного на струйный происходит при увеличении сварочного тока до "критического" для данного диаметра электрода или же при подаче импульсного напряжения.

Сварка пульсирующей дугой может применяться и в сварке вольфрамовой дугой (TIG). Контур шва и глубина провара отлаживаются при этом процессе очень хорошо. Импульсы высокого напряжения быстро обеспечивают глубину расплавления основного металла, но не вызывают интенсивного разогрева материала. Фоновый ток при этом поддерживает нужное состояние дуги между импульсами. По сравнению с постоянной дугой пульсирующая усиливает проникновение, не повышая температуру соединения. Однако, надо заметить, что скорость сварки при этом падает на 20 - 40%

Пульсирующая дуга может быть настроена от 1 до 100 импульсов в секунду, а на некоторых типах оборудования даже до 1000 импульсов [5].

1.3 Импульсная подача сварочной проволоки

Генерирование импульсов подачи основывается на 2-х основных способах ее получения: за счет применения специальных электродвигателей в механизме подаче электродной проволоки и при использовании механических модуляторов различных конструкций.

Объяснить увеличение коэффициента наплавки при импульсной подаче электродной проволоки можно следующими причинами:

-управляемым процессом образования капли электродного металла, не позволяющим расходовать лишнюю энергию на ее перегрев;

-отсутствием больших значений токов короткого замыкания, обычно характерных для процесса сварки с короткими замыканиями;

-увеличение тока в импульсе подачи способствует росту коэффициента плавления, при этом фактически импульсный ток не превышает 30-35% времени цикла образования и переноса капли, отсюда и рост коэффициента плавления по сравнению со средним значением тока при постоянной скорости подачи [6].

Исходя из особенностей сварки с импульсной подачей электродной проволоки один цикл каплепереноса протекает в четыре этапа (рисунок 1.3):

-формирование капли за счет плавления электродной проволоки;

-движение электродной проволоки: под действием упругих сил за счет использования механизма импульсной подачи происходит перемещение электродной проволоки с находящейся на ее торце жидкой каплей в направлении металлической ванны;

-торможение капли: происходит торможение подачи сварочной проволоки в результате достижения штоком конца угла опускания. При этом в силу определенной инерционности жидкого металла капля, находящаяся на торце электрода, продолжает движение;

-короткое замыкание: происходит соприкосновение жидкой капли, находящейся на торце электрода и металлической ванны, образования перемычки и переход металла капли в сварочную ванну [7].



Pисунок 1.3 Видеокадpы пpоцесса обpазования капли электpодного металла пpи сваpке пpоволокой Св-08Г2С диаметpом 1,2 мм в СO2 с импульсной подачей с частотой 30 с-1: а--е -- tф pавно 0,001, 0,004,0,008, 0,012, 0,016 и 0,020 с соответственно[8].

В работе [9] была разработана математическая модель для определения параметров импульсной подачи электродной проволоки при механизированной дуговой сварке и наплавке.

Авторы в работе [10] рассмотрели возможность применения сварки с импульсной подачей сварочной проволоки при ремонте крупногабаритных деталей. Достигается большая энерговыгода и также упрощается конструкция, в сравнении с полуавтоматами с автоматической подачей самозащитной проволоки больших диаметров.

В процессе сварки тонколистового металла возникает проблема его коробления. Эта проблема актуальна и часто возникает, например, при ремонтной сварке кузовов автомобилей, сварке различных емкостей для пищевой промышленности и др. Исследовали влияние импульсной подачи и ее параметров на возможность снижения коробления тонколистового металла в результате термического воздействия дуги на образцах толщиной 1,0 и 2,0 мм. Следует отметить, что коробление при импульсной подаче заметно ниже, чем при сварке с непрерывной подачей электродной проволоки [11].

Применение новых регулируемых механизмов импульсной подачи электродной проволоки при дуговой механизированной сварке сплавов алюминия позволило существенно улучшить формирование металла шва и его структуру и снизить потери электродного металла. Улучшение электропроводных свойств алюминиевого сварного соединения при механизированной сварке может быть достигнуто в том числе и при использовании импульсной подачи электродной проволоки с управляемыми параметрами. При этом обеспечивается качественное выполнение сварного соединения, влияющее на электротехнические свойства токоведущих шин [12].

Одним из путей повышения эффективности применения сварки с импульсной подачей сварочной проволоки является использование смеси Ar+CO2. Это позволяет обеспечить лучшее формирование шва и уменьшить разбрызгивание электродного металла, чем при сварке в чистом углекислом газе. Сварка в смеси газов с использованием устройства импульсной подачи сварочной проволоки позволяет существенно снизить потери металла на угар и разбрызгивание [13].

1.4 Импульсно-дуговая сварка

В настоящее время появляются новые способы импульсно-дуговой сварки. Это, к примеру, импульсно-дуговая сварка с подогревом электродной проволоки, двухдуговая импульсная сварка, импульсная сварка с увеличенным вылетом электродной проволоки, технологии SpeedPulse, STTTM, forceArc, ColdArc.

С целью повышения эффективности сварки плавящимся электродом в среде инертных газов применяют предварительный подогрев сварочной проволоки проходящим током и импульсно-дуговую сварку. Полуавтоматическая импульсно-дуговая сварка титановых сплавов обеспечивает повышение производительности сварочных работ в 2 ... 3 раза при снижении погонной энергии сварки в 2 ... 2,5 раза [14].

Двухдуговая сварка “расщепленным” электродом с общим токоподводом применяется с целью повышения коэффициента наплавки, увеличения скорости сварки. В процессе сварки происходят короткие замыкания между одной из электродных проволок и ванной, а также прекращается горение дуги на второй проволоки.

Импульсные процессы широко применяются и при наплавке. К примеру, для получения более чистого слоя наплавленного металла применяют увеличение вылета электродной проволоки. При увеличении вылета электрода ширина шва и глубина проплавления уменьшается, а выпуклость шва увеличивается. Данные закономерности усиливаются с увеличением тока сварки [15]. Также при повышенном вылете электрода становится возможна сварка “в узкую разделку”.

Объединив качество импульсной дуги и скорость струйной дуги, получили технологию SpeedPulse. При этом обеспечиваются уменьшенное тепловложение, улучшенный провар и четкое формирование шва. Отличие от традиционного импульсного процесса заключается в том, что во время пауз между импульсами на долю миллисекунды включается струйный процесс сварки, тем самым перенос электродного металла происходит и между импульсами тоже [16].

Импульсы третьего порядка обеспечивают короткое время окончательного формирования капли на конце электродной проволоки и перенос капли в сварочную ванну. При этом возникает особая разновидность струйного переноса, при которой дуга работает полностью в режиме короткого замыкания, а сформированные капли находятся в постоянном столбе дуги. Внешне это выглядит как струя жидкого металла с периодическими уплотнениями, падающая с электродной проволоки в сварочную ванну.

Сварочный процесс по технологии SpeedPulseTM ведется при дистанции порядка 65 - 70 мм, при этом длина дуги составляет всего 3 - 4 мм. При уменьшении дистанции работ процесс переходит в нестабильную фазу с повышенным разбрызгиванием; дугу «затягивает» внутрь металла. Особенностями технологии SpeedPulseTM являются высокая скорость сварочного процесса (увеличение составляет до 40 - 45%) и резкое снижение удельного тепловложения.

Сварочный процесс STTTM (сокращение от английского термина Surface Tension Transfer - перенос за счет сил поверхностного натяжения) был разработан компанией «Lincoln Electric» в результате активных исследований в области управляемого переноса металла при сварке.

Процесс STTTM - преемник обычного сварочного процесса MIG/MAG с переносом короткими замыканиями. Однако STTTM принципиально отличается от него возможностью прямого управления условиями переноса в сварочную ванну наплавляемого металла.

Эта возможность обеспечивается быстродействующей инверторной схемой источника питания, специальным электронным микропроцессорным модулем, принудительно задающим необходимый уровень сварочного тока и контуром обратной связи, динамично отслеживающим изменения напряжения на дуге.

В течение всего цикла переноса капли в сварочную ванну величина сварочного тока жестко зависит от фазы формирования и перехода последней. Идентификация фазы переноса осуществляется за счет обработки величины напряжения постоянно снимаемого с дугового промежутка [17].

1.5 Механизированная сварка короткой дугой с короткими замыканиями

Современные сварные конструкции требуют высоких показателей качества. И импульсные процессы - один из методов, помогающих добиться высокого качества. Они позволяют снизить разбрызгивание, что сказывается на внешнем виде сварных соединений и снижает затраты на последующую механическую обработку. Сниженное тепловложение позволяет вести сварку без прожогов, а также в положениях, отличных от нижнего.

Сейчас многие производители сварочного оборудования предлагают процесс сжатой, короткой дуги.

Форсированная дуга имеет ряд преимуществ перед дугой со струйным переносом:

* Глубокое проплавление благодаря увеличенному давлению дуги на ванну жидкого металла;

* Упрощение управление процессом благодаря большей стабильности дуги;

* Отсутствие подрезов благодаря короткой дуге;

* Высокая производительность, обусловленная более высокой скорости сварочного процесса и увеличению коэффициенту наплавки (уменьшение числа проходов);

* Уменьшение зоны нагрева;

* Экономия сварочной проволоки и защитного газа;

* Уменьшение необходимой ширины разделки;

* Снижение остаточных деформаций.

Процесс SpeedArc нацелен на повышение качества сварных соединений из толстолистового металла, связанного с обеспечением гарантированного проплавления в корне шва, а также MIG/MAG сварки в узкую разделку. Функция SpeedArc в отличие от стандартной струйной дуги поддерживает уверенный струйный процесс переноса металла более короткой дугой. Дуга становится более сфокусированной, очень устойчивой. Благодаря высокому плазменному давлению в дуге обеспечивается более глубокое проплавление. При этом снижается тепловложение в основной металл и снижается вероятность возникновения таких дефектов, как подрезы [18].

Осциллограммы процесса SpeedArc компании Lorch были проанализированы в сравнении с осциллограммами процесса RapidArc от компании LincolnElectric [19] (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 Осциллограммы по току и напряжению процессов SpeedArc (слева) и RapidArc (справа)

Как видно из осциллограммы по напряжению, сварка в обоих случаях ведется с коротким замыканием. В момент короткого замыкания идет снижение тока до базового значения, или даже ниже его. Это обеспечивает перенос металла без разбрызгиваний, которые происходят из-за “взрыва” перемычки в связи с увеличением силы тока.

Сравним теперь макрошлифы соединений (рисунок 1.5). Как мы видим, в обоих случаях наблюдается глубокое проплавление, достаточно узкое. Отсутствуют подрезы.

Рисунок 1.5 Макрошлифы процесса SpeedArc (справа) и RapidArc (слева)

Процесс короткой сфокусированной дугой с короткими замыканиями позволяют добиться сниженного разбрызгивания, глубокого проплавления и увеличения скорости сварки без потери качества сварных соединений.

Область применения процесса сварки короткой дугой с короткими замыканиями:

Сварка толстолистового металла;

Сварка корневых швов;

Сварка в узкую разделку;

Сварка легированных сталей и сплавов.

1.6 Сварка “холодной” дугой

Разработки с целью создания процесса малой мощности без механического вмешательства в подачу проволоки привели к созданию варианта процесса, при котором все необходимые воздействия производятся исключительно в источнике тока. Этот вариант MIG/MAG процесса, называемый coldArc, предлагаемый компанией EWM, относится к сварке короткой дугой и поэтому характеризуется циклической сменой дуг и фаз короткого замыкания. Поскольку электрическое напряжение при зажигании является решающим критерием эффективности сварки тонких листов, то оно оказывает большое влияние на динамику подвода энергии всего процесса, то есть на фазу дуги, фазу короткого замыкания и, в первую очередь, на зажигание дуги, рисунок 6. Характер изменения напряжения идентичен изменению при обычной сварке короткой дугой. Напряжение является задающим параметром при регулировке силы тока.

Для этого необходимо непрерывно измерять напряжение и соответствующим образом реагировать на каждое его изменение (высокодинамичная регулировка мгновенных значений). Благодаря цифровому процессу обработки сигналов (DSP) можно отнять энергию от дуги менее чем за 1 микросекунду до зажигания (рисунок 1.6), в результате чего зажигание пройдет очень мягко.

Рисунок 1.6 Осциллограммы и макрошлифы при сварочном процессе coldArc

При этом на конце электрода может сразу же образоваться достаточное количество расплавленного материала, и это повысит потребность в энергии. Поэтому непосредственно после зажигания дуги сила тока за короткое время поднимается до так называемого импульса расплавления. Только после этого, чтобы минимизировать плавление, происходит переход на низкий ток и начинается следующая фаза. Из-за импульса расплавления после каждого короткого замыкания на электроде образуется большой расплавленный купол, что ведет к очень равномерному протеканию процесса. Только благодаря этому стало возможным работать в фазах между короткими замыканиями с очень низкой силой тока, не прибегая к последующему плавлению проволоки или гашению дуги. Это все гасит процесс сварки малой мощности coldArc [20].

Фирма Merkle предлагает свой процесс, под названием ColdMIG (рисунок 1.7), теплоотдача в котором на 20-30% меньше, чем в режиме стандартной короткой дуги [21].

Рисунок 1.7 Осциллограммы и макрошлифы процесса ColdMig



Аналогом данных процессов является процесс Precision Pulse от компании Lincoln Electric [22].

Область применения процесса сварки “холодной дугой”:

Сварка тонких листовых металлов 0.6 - 3.0 мм

Возможность сварки с большими зазорами

MIG-пайка с низкой теплоотдачей

Сварка смешанных металлов

Сварка металлов с покрытием.

1.7 Сварка вертикальных швов

Импульсные процессы помогают в формировании шва при сварке вертикальных швов снизу-вверх. Возможность MIG/MAG сварки без сложных движений горелкой (техникой сварки «елочка» или поперечными колебаниями) достигается комбинированием двух технологий или, точнее, двух фаз сварочной дуги. Первая фаза - «горячая» фаза тока большой силы с высокой подачей энергии - для оптимального расплавления материала. Затем без переходов и, таким образом, практически без брызг наступает вторая, «холодная» фаза благодаря идеальному автоматическому регулированию (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 Метод энергетических интервалов



Обычно сварка вертикальных швов требует от сварщика максимального умения и квалификации. Компания Шторм-Lorch для этой цели предлагает процесс SpeedUp. С функцией SpeedUp сварщику не нужно выполнять сложные движения горелкой (техникой сварки «елочка» или поперечными колебаниями), ему необходимо лишь перемещать горелку вдоль стыка с постоянной скоростью. Сварочный аппарат выстроит алгоритм импульсов так, чтобы обеспечить уверенный провар корня и получить качественное формирование шва с плавным переходом на основной металл (рисунок 1.9) [23].

Рисунок 1.9 Макрошлифы вертикального шва техникой “елочка” (слева) и техникой SpeedUp (справа)

Фирма Merkle предлагает процесс HighUP, реализованный сочетанием импульсов DeepARC и PULSE (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 Макрошлифы вертикального шва техникой “елочка” (слева) и техникой HighUp (справа)

Особенности Merkle HighUP:

DeepARC обеспечивает глубокий, надежный провар корня шва.

PULSE формирует равномерный чешуйчатый внешний валик.

Сварка в один проход без применения колебательных движений горелки.

Высокое качество шва без использования сложного профессионального метода сварки “елочкой” [24].

Область применения процессов для сварки вертикальных швов:

Сварка вертикальных швов на подъем;

Сварка тонколистовых изделий;

Сварка высоко текучих металлов и сплавов.

1.8 Анализ способов

В данной работе рассмотрены имеющиеся способы управления процессом переноса при сварке. Было произведено сравнение способов от различных производителей и произведена их классификация.

Но устройства для импульсного питания сварочной дуги, построенные по принципу «импульсно-регулируемого сопротивления» [25], обладают определенным недостатком, а именно, наличием балластного сопротивления для обеспечения формирования тока паузы, которое приводит к потерям мощности, идущей на его нагрев, что снижает эффективность применения импульсных процессов [26]. Но если вместо балластного сопротивления будет использован вылет электродной проволоки (рисунок 1.11), энергия тока паузы будет уходить на его нагрев. В итоге, варьируя длину вылета и скорость подачи проволоки, мы можем добиться требуемой температуры на торце электрода.



Рисунок 1.11 Схема устройства: а) использующего балластное сопротивление; б)использующее подогрев электродной проволоки

Необходимо отметить, что увеличение длины вылета электрода при неизменной силе тока, как и при постоянной скорости подачи электродной проволоки, снижает долю основного металла в шве, что уменьшает возможность появления горячих трещин при сварке некоторых марок сталей [27]. Также увеличивается ширина шва и усиление, снижается глубина проплавления.

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что использование теплоты, выделяемой на участке между контактными наконечниками, повышает до 2-х раз производительность наплавки, а также повышает коэффициент полезного действия системы импульсного питания (на 10-15% в зависимости от расстояния между контактными наконечниками) и снижает энергозатраты на 30% [28].



2. Расчеты и аналитика

2.1 Схема устройства

Устройство для импульсно-дуговой сварки должно обеспечивать чередование тока импульса и тока паузы. Одним из устройств для реализации импульсно-дуговой сварки является модулятор, построенный по принципу импульсно-регулируемого сопротивления, схема которого приведена на рисунке 2.1 а [29].

При протекании тока паузы, ключ 1 переключается на сопротивление 2. Для получения же тока импульса ключ 1 переключается на контактный наконечник 3. Из-за наличия балластного сопротивления 2 происходят большие мощности. Энергия в виде тепловых потерь уходит в окружающую среду.

На рисунке 2.1 б предложена альтернатива данному устройству. Для получения тока импульса ключ 1 все так же замыкается на контактный наконечник 3. Для получения же тока паузы ключ замыкается на контактный наконечник 2. И вместо балластного сопротивления, его функцию выполняет вылет проволоки между контактными наконечниками 2 и 3.

Рисунок 2.1 Схема устройства, использующего балластное сопротивление (а) и схема устройства, использующее подогрев электродной проволоки (б)



Порядок работы устройства заключается в следующем (рисунок 2.2). Для управления переносом электродного металла используются импульсы, получаемые за счет протекания сварочного тока по цепи: плюс источника постоянного тока ИП - коммутирующий дроссель 2 - силовой тиристор 3 - дроссель 8 - второй контактный наконечник 10 - сварочная дуга - минус источника постоянного тока ИП. Для обеспечения протекания тока паузы при отпирании вспомогательного тиристора к аноду силового тиристора прилагается обратное напряжение перезаряда коммутирующего конденсатора 5 через коммутирующий дроссель 2, предварительно заряженного с помощью зарядного дросселя 6 и зарядного тиристора 7. В паузе сварочный ток протекает по цепи: плюс источника питания ИП - первый контактный наконечник 9 - участок электрода между контактными наконечниками 9 и 10 - сварочная дуга - минус источника постоянного тока ИП. Сварочный ток в паузе ограничивается за счет сопротивления вылета электрода между контактными наконечниками при этом теплота, выделяемая в вылете электрода, пойдет на повышение начальной температуры торца электрода, и во время следующих импульсов потребуется меньшее количество энергии на расплавление капель электродного металла [30].

Рисунок 2.2 Схема устройства, использующего подогрев электрода в паузе:

ИП - источника постоянного тока; 1 - фильтрующий конденсатор;

2 - коммутирующий дроссель; 3 - силовой тиристор;

4 - коммутирующий тиристор; 5 - ком-мутирующий конденсатор;

6 - зарядный дроссель; 7 - зарядный тиристор; 8 - силовой дроссель; 9,10 - контактные наконечники

По предложенной схеме было разработано устройство, использующее подогрев электрода в паузе (участок электродной проволоки со вторым контактным наконечником) [30]. В статье [31] показана процедура эксперимента на данном устройстве.

2.2 Расчет нагрева проволоки

Для поиска оптимальных режимов сварки с помощью программы Mathcad предложена математическая модель процесса.

Приняты следующие начальные условия:

-температура окружающей среды Tср=20°C;

-удельное сопротивление с=0,14·10-6 Ом·м;

-удельная теплоемкость c=462 Дж/кг·K;

-диаметр проволоки d=1,2 мм;

-удельная теплота плавления L=84·103 Дж/кг;

-температурный коэффициент зависимости сопротивления от температуры б=0,04К-1 [32].

Сварочную проволоку для расчетов принимаем за стержень, следовательно, температура в поперечном сечении распределена равномерно [33]. Расчетная схема распределения теплоты в проволоке приведена на рисунке 2.3.



Рисунок 2.3 - Расчетная схема распределения теплоты в проволоке

Граничными условиями (проверены экспериментально) приняты:

-максимальная температура подогрева 600°C (получена экспериментально с учетом обеспечения устойчивость горения дуги);

-ток паузы 35А;

-частота импульсов 100 Гц.

Методом подбора определены следующие параметры:

-скорость подачи электродной проволоки - 430 м/ч (0,119 м/с).

-длина проволоки между контактными наконечниками - 0,2 м,

-шаг проволоки за 1 цикл равен - 1,194·10-3 м.

Для упрощения расчетов примем следующие допущения:

-во время паузы и нагрева проволоки подача проволоки останавливается;

-проволока движется только во время импульса на величину, которую она бы прошла за полное время цикла;

-проволока нагревается только за счет проходящего тока, теплопроводность не учитывается.

За один цикл проволока проходит равные участки. За первый цикл такой участок занимает положение “уч1”, нагревается за время прохождения тока паузы, смещается и принимает положение “уч2”, где снова нагревается и смещается в положение “уч3” и т.д.

Нагрев проволоки от проходящего тока происходит только за время паузы, равной 0,007 с. Чтобы найти изменение температуры за один цикл, нужно найти количество теплоты, выделяемой на этом участке при прохождении тока.

Выделяемую теплоту на каждом участке вылета за один цикл находим по закону Джоуля-Ленца:

, (2.1)

где Qдж-выделяемая теплота;

Iпаузы - сила тока в паузе;

R - сопротивление участка электродной проволоки;

tпаузы - время паузы.

Потери тепла на излучения:

(2.2)

где - коэффициент соответственно конвективного теплообмена и теплообмена излучением (б=8,7 Вт/м2Cє, у=5,67 Вт/м2К4);

T0 - температура окружающей среды;

S - площадь поверхности участка.

В итоге на каждом участке выделяемая теплота будет равна:

(2.3)

Изменение температуры находим по формуле:

(2.4)



где c - удельная теплоемкость;

m - масса участка электродной проволоки, равная произведению удельной плотности на ее объем (m=1,763*10-3 кг).

Изменение сопротивления с повышением температуры найдем по формуле:

(2.5)

Определяем изменение температуры и сопротивления за каждый шаг:

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

где Rнов - сопротивление проволоки после ее нагрева за время паузы.

В следующем цикле за R принимаем Rнов. В первом цикле Tнач будет равна температуре окружающей среды (по умолчанию 20°C). Полученная температура T станет в следующем цикле начальной температурой Tнач. Как видно, процесс цикличен, пока не настанет состояние равновесия, при котором первый участок станет последним перед вторым контактным наконечником, он же и будет иметь максимальную температуру (в нашем расчете Tкон?600°C), а начальный участок также будет иметь температуру окружающей среды.

Определив сопротивление вылета проволоки за 1 цикл и приняв ток паузы 35А, рассчитали выделяемую теплоту. Рассчитав цикл для всех участков проволоки, по полученным значениям построили график распределения температур по длине проволоки (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Распределение температур по длине проволоки

Как видно из графика, зависимость нелинейная. Находим зависимость температуры от номера интервала методом квадратичной интерполяции:

(2.11)

где n - номер цикла.

Как видно из графика, температура между двумя соседними участками даже в конце цикла будет различаться менее, чем в 5 єC. Учитывая скорость протекания всех процессов, время контакта этих участков с такой большой разностью температур будет менее секунды. За такое время теплопроводность не сыграет большой роли, только слегка сгладит ступенчатость графика.

Оценим эффективность устройства, сравнив импульсно-дуговой процесс с подогревом электродной проволоки с автоматической сваркой в среде защитных газов. Для примера используем стандартное соединение С17 толщиной 8 мм.

Объем наплавленного металла на 1 м шва будет равен 0,04·10-3м3

Масса наплавленного металла на 1 м2 равна 0,328 кг.

Для нагрева и расплавления такой массы проволоки необходима энергия, которая состоит из:

-энергии, необходимой для нагрева 0,328 кг электродной проволоки от 20єC до 1450єC:

Дж (2.12)

-энергии, необходимой для расплавления 0,328 кг электродной проволоки, нагретой до температуры плавления:

Дж (2.13)

-полная энергия, необходимая для нагрева и расплавления 0,328 кг электродной проволоки от 20єС:

Дж (2.14)

Если сравнить с энергией, необходимой для нагрева и расплавления того же объема электродной проволоки, но нагретой до температуры в 600 градусов равна Еимп=1,286·105 Дж

Отношение энергий равно , т.е. для нагрева и расплавления той же массы электродной проволоки, необходима энергия, меньшая в 1,68 раза. В схеме модулятора для импульсно-дуговой сварки эта энергия выделяется на сопротивлении.

2.3 Выбор рациональных режимов

В программе MathCad была создана модель и методом подбора рассчитаны рациональные режимы. Ограничение конечной температуры составляло 600±20єC. Изначально задавались длина вылета и диаметр электродной проволоки. Скорость подачи менялась от 400 до 600 м/ч c шагом 20 м/ч. Ток паузы и время паузы подбирались вручную. Рассчитанные режимы при вылете 200 мм и диаметре проволоки 1,2 мм представлены в таблице 2.1 и на рисунке 2.5, при вылете 300 мм и диаметре проволоки 1,6 мм в таблице 2.2 и на рисунке 2.5, при вылете 400 мм и диаметре проволоки 1,6 мм в таблице 2.3 и на рисунке 2.6.

Таблица 2.1 - Режимы сварки при вылете 200 мм и диаметре 1,2 мм

Скорость подачи, м/ч	400	420	440	460	480	500	520	540	560	580	600
Ток паузы, А	31	34	34	37	38	37	38	40	38	39	40
Вылет, мм	20
Время паузы, мс	8	7	8	7	7	8	8	8	9	9	9
Диаметр проволоки, мм	1,2

Рисунок 2.5 Область режимов, при вылете 20 мм и диаметре 1,2 мм

Таблица 2.2 - Режимы сварки при вылете 30 мм и диаметре 1,6 мм

Скорость подачи, м/ч	400	420	440	460	480	500	520	540	560	580	600
Ток паузы, А	40	42	44	46	48	50	48	50	51	50	51
Вылет, мм	30
Время паузы, мс	7	7	7	7	7	7	8	8	8	9	9
Диаметр проволоки, мм	1,6



Рисунок 2.6 Область режимов, при вылете 30 мм и диаметре 1,6 мм

Таблица 2.3 - Режимы сварки при вылете 40 мм и диаметре 1,6 мм

Скорость подачи, м/ч	400	420	440	460	480	500	520	540	560	580	600
Ток паузы, А	31	32	34	35	36	38	39	38	39	41	42
Вылет, мм	40
Время паузы, мс	0,007	0,007	0,007	0,007	0,007	0,007	0,007	0,008	0,008	0,008	0,008
Диаметр проволоки, мм	1,6

Рисунок 2.7 Область режимов, при вылете 40 мм и диаметре 1,6 мм

2.4 Сущность моделирования процесса импульсно-дуговой сварки

Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов -- сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Чем больше значимых свойств будет выявлено и перенесено на компьютерную модель -- тем более приближенной она окажется к реальной модели, тем большими возможностями сможет обладать система, использующая данную модель [34]. Компьютерное же моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели и т. д.

При сварке различными способами происходит сложное взаимодействие разнообразных процессов, воздействующих на свариваемые детали. Основными из них, характерными для большинства способов сварки, являются:

протекание электрического тока через сварное соединение;

распространение теплоты от нагрева проходящим током и другими источниками, а также при последующем охлаждении;

диффузия примесей, структурные, фазовые и химические превращения в металле шва и околошовной зоны, в том числе плавление и кристаллизация;

деформация металла под действием как нагрева, так и других технологических факторов, приводящая к изменению его свойств, возникновению напряжений, а иногда к повреждению или полному разрушению [35].

В работе [36] приведен систематизированный обзор методов и средств управления процессами сварки плавлением с применением систем компьютерного управления. Перечислены математические модели, используемые в системах автоматического управления. Отражены достижения различных исследовательских школ в этом направлении.

Эксперименты на металлических образцах остаются необходимыми для определения свойств материала, проверки модели, ее корректировки для решения новых задач, но за счет применения компьютерного моделирования они резко сокращаются по объему и сложности. Процессы, протекающие при сварке, очень сложны, и их не всегда легко отобразить простым (на плоскости) рисунком. В этом случае на помощь должно приходить 3D-моделирование [37].

Сущность процесса импульсно-дуговой сварки заключается в наложении мощных импульсов сварочного тока, что наглядно представлено на осциллограмме сварочного тока, находящейся в правом верхнем углу экрана. Во время паузы значение тока невелико и составляет 30-40А.

В момент паузы капля электродного металла, которая от воздействия предшествующего импульса находится на боковой поверхности электрода под действием силы тяжести и силы поверхностного натяжения капля занимает соосное положение на торце электрода. Сила тяжести капли и сила поверхностного натяжения начинает преобладать над силой давления дуги.

2.5 Силы, действующие на каплю электродного металла

Действие сил можно представить в виде уравнений.

Сила тяжести:

(2.15)

Электродинамическая сила Рэд возникает при прохождении тока по проводнику из-за взаимодействия тока с собственным магнитным полем. Многими исследователями этот фактор отмечен как один из важнейших при определении характера переноса электродного металла. Если сечение проводника постоянно, то эта сила направлена по радиусу к оси проводника и стремиться его сжать. Осевая составляющая ее равна:



. (2.16)

Также на каплю электродного металла действует сила поверхностного натяжения которая старается придать капли наименьший объем т.е форму шара. Данная сила будет способствовать занятию капли соосного положения с торцом электрода. Сила поверхностного натяжения Рп.н. обычно определяется следующим образом:

; (2.17)

, (2.18)

где - коэффициент поверхностного натяжения материала электрода при заданной температуре в месте приложения силы Рп.н; - угол между касательной и образующей поверхности электрода в месте перехода от твердого к жидкому металлу.

При нарастании тока - во время импульса увеличивается диаметр столба дуги пропорционально силе тока. Время на интервале цикла визуально отображено на вертикальной линии, перемещаемой по осциллограмме.

Если сечение проводника неодинаковое по длине, то возникает осевое усилие Рst, направленное от меньшего сечения к большему.

При дальнейшем увеличении силы тока столб дуги охватывает каплю электродного металла и силы, действующие в столбе дуги, отрывают каплю от торца электрода. В момент разрыва перемычки столб скачкообразно переходит на оставшийся (после отрыва капли) торец электрода.

После окончания действия импульса образуется новая капля которая оттесняется от на боковую поверхность торца электрода и весь процесс повторяется заново.

2.6 Принципы моделирования

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги (рисунок 2.8):

моделирование -- создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;

текстурирование -- назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов -- прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);

освещение -- установка и настройка источников света;

анимация (в некоторых случаях) -- придание движения объектам;

динамическая симуляция (в некоторых случаях) -- автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;

рендеринг (визуализация) -- построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

вывод полученного изображения на устройство вывода -- дисплей или принтер.

Моделирование.

Рисунок 2.8 Схема проецирования сцены на экран компьютера

Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

геометрия (построенная с помощью различных техник (напр., создание полигональной сетки) модель, например здание);

материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон);

источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);

виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции);

силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации);

дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Задача трёхмерного моделирования -- описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Назначение материалов: для сенсора реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов -- прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.

Текстурирование.

Текстурирование подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трехмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определенная координата на двухмерном пространстве текстуры.

Как правило, многофункциональные редакторы UV-координат входят в состав универсальных пакетов трехмерной графики. Существуют также автономные и подключаемые редакторы от независимых разработчиков, например Unfold3D magic, Deep UV, Unwrella и др.

Освещение.

Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. При этом, в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирая свет из зоны своего "отрицательного освещения". Как правило, пакеты 3D графики предоставляют следующие типы источников освещения:

omni light (Point light) -- всенаправленный

spot light -- конический (прожектор), источник расходящихся лучей

directional light -- источник параллельных лучей

area light (Plane light) -- световой портал, излучающий свет из плоскости

photometric -- источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала

Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному предназначению в разных программах трехмерной графики и визуализации. некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Sphere light) или объемного освещения (Volume light), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы.

Анимация.

Одно из главных призваний трехмерной графики -- придание движения (анимация) трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Универсальные пакеты трехмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации. Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:

Рендеринг.

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок -- кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга -- это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане) [38].

2.7 Моделирование процесса переноса капли электродного металла

Для моделирования процесса переноса капли электродного металла под действием сил была использована программа 3D моделирования и анимации Blender.

Достоинства программы [39]:

большие возможности и полностью бесплатно;

широкие возможности импорта/экспорта;

возможность создания игр;

кроссплатформенность;

небольшой размер.

Недостатки программы:

в базовую поставку не входит развёрнутая документация;

нет возможности асинхронной подгрузки уровней [40].

Документацию для данной программы можно найти в интернете, а также - видеоуроки, показывающие работу с ней.

Все основные объекты были созданы с помощью примитивов. К примеру капля - это шар; проволока - цилиндр с небольшим диаметром основания и большой длиной; столб дуги - конус. Были подобраны цвета, похожие на натуральные, но также с тем расчетом, чтобы соблюдался цветовой контраст (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 Примитивы в пакете Blender

Смоделировав сцену, она была анимирована посредством ключевых кадров (т.е. задавалось конечное положение и размеры объектов, а анимация создавалась самим приложением) (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 Анимирование готовой модели

2.8 Проектирование с помощью САПР

Но не все задачи можно решить посредством моделирования в 3D редакторах. Зачастую приходится проектировать изделия, когда точность доходит до микрометров. Здесь на помощь приходят CAD, CAM, CAE системы. Пользователь получает не только помощь в проектировании, но также в дальнейшем эти модели можно использовать в станках с ЧПУ.

В данной работе стояла задача спроектировать второй контактный наконечник. Для решения поставленной задачи была выбрана программа КОМПАС 3D. КОМПАС 3D относится к CAD системам (Computer-Aided Design).

Первый этап проектирования в программе КОМПАС 3D заключается в построении двумерного чертежа (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 Построение чертежа в программе КОМПАС 3D

После создания двумерного контура к нему применяются операции выдавливания, вращения, либо кинематическая операция и задаются параметры операции (рисунок 2.12).



Рисунок 2.12 Применение модификатора Выдавливание

В дальнейшем КОМПАС сам может построить из полученной модели требуемые виды на чертеже, просчитать площадь поверхности или массу. Остается только поставить требуемые размеры (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 Построение чертежа по 3D модели

Решим теперь поставленную задачу в проектировании второго контактного наконечника с помощью программы КОМПАС 3D.

Второй контактный наконечник должен удовлетворять следующим условиям:

обладать удобством при смене проволоки;

небольшими размерами;

простотой конструкции и применяемых материалов.

Наконечник спроектируем из контактной части, места крепления из диэлектрического материала, а также пружины (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 Модель контактной части

Контактную часть вырежем из медной пластины толщиной 2-3 мм. На чертеже представлен наконечник для проволоки 1.2 мм. Для проволоки 1.6 мм единственное отличие в конструкции будет только в диаметре внутреннего отверстия (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 Чертеж контактной части

Также на конце сделаем проточку и нарежем резьбу, для последующей установки пружины и поджима ее упором, наворачивающимся на резьбу.

Перейдем к проектированию держателя (рисунок 2.16).



Рисунок 2.16 Модель держателя

Представляет собой параллелепипед, с отверстием квадратной формы для установки наконечника и двух отверстий, для установки на направляющие. Две направляющие выбраны для избежания колебаний относительно оси направляющих (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 Чертеж держателя

Отверстие для наконечника выбрано чуть больше для легкости его установки, но также это избавит от колебаний наконечника во время сварки.