Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ОТЧЕТ

по проекту РФФИ № 10 - 08 - 01109а

«ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА ЗОН СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ В УСЛОВИЯХ ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РЕГУЛИРУЕМОГО ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ИХ ПОЛУЧЕНИИ» ЗА 2010-2012 ГОДЫ

плавление кинетика покрытие направленный

Цель работы: повышение ресурса, живучести и эксплуатационной надежности изделий технических систем со сварными соединениями и наплавленными покрытиями посредством управления быстропротекающими процессами тепломассопереноса.

План работ по проекту:

1. Изучить влияние импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки на кинетику плавления и переноса электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом методом скоростной видеосъемки. 1.1. Настройка исследовательского комплекса для скоростной видеосъемки плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну.

1.2. Изучение кинетики плавления и переноса электродного металла при сварке в среде защитных газов «короткой» и «длинной» дугой проволокой сплошного сечения диаметром до 1,2 мм.

1.3. Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой диаметром до 1,2 мм, а также покрытыми электродами диаметрами 3 - 4 мм.

1.4. Разработка алгоритмов импульсного управления плавлением и переносом электродного металла проволокой сплошного сечения в среде защитных газов «короткой» и «длинной» дугой, а также порошковой проволокой и покрытыми электродами.

2. Изучить влияние импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки и регулируемого тепломассопереноса на структуру металлов шва и ЗТВ неразъемных соединений сталей.

2.1. Изучить влияние импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки и регулируемого тепломассопереноса на структуру низколегированных сталей.

2.2. Изучить влияние импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки и регулируемого тепломассопереноса на структуру среднелегированных сталей.

3. Изучить влияние импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки и регулируемого тепломассопереноса на физико-механические свойства металлов шва и ЗТВ, а также эксплуатационные свойства неразъемных соединений сталей в целом.

3.1. Изучить влияние параметров импульсного режима сварки низколегированных сталей на формирование корневого, заполняющего и облицовочного слоев шва, а также ЗТВ основного металла сварного соединения.

3.2. Изучить влияние параметров импульсного режима сварки низколегированных сталей на механические характеристики сварного соединения (прочность, пластичность).

3.3. Изучить влияние параметров импульсного режима сварки низколегированных сталей на ударную вязкость ЗТВ основного металла сварного соединения.

3.4. Изучить влияние параметров импульсного режима сварки низколегированных сталей на коррозионную стойкость зон сварного соединения.

1. Методы и подходы, использованные в проекте

1.1 Исследовательский комплекс

Для изучения влияния энергетических параметров режимов сварки на кинетику плавления и переноса электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом, был модернизирован исследовательский комплекс для скоростной видеосъемки, позволяющий регистрировать процессы плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну. При механизированных способах сварки частота перехода расплавленного электродного металла в сварочную ванну составляет в пределах 25-300 капель в секунду, что делает весьма затруднительным изучение быстропротекающих процессов, как на этапе плавления, так и на этапе их перехода в сварочную ванну. До настоящего времени такие исследования проводились в основном методами скоростной киносъемки, однако отсутствие в настоящее время требуемого качества кинопленки, химических реактивов для ее проявки, а также большая трудоемкость такого эксперимента, делают эти исследования трудновыполнимыми. Кроме того, до настоящего времени остаются малоизученными процессы тепломассопереноса, протекающие в сложной электродинамической системе источник питания - дуга - сварочная ванна - изделие при различных способах сварки, в том числе с импульсным изменением энергетических параметров режима. При изучении данных явлений возникает ряд сложностей, связанных со скоростью протекания процессов тепломассопереноса и мощного светового излучения сварочной дуги.

Первая трудность устраняется путем использования современных цифровых устройств видеофиксации с частотой регистрации в несколько тысяч кадров в секунду. В этом случае, также как и в случае скоростной киносъемки, используется мощный источник когерентного излучения, позволяющий получить теневое изображение изучаемого объекта. Вторая трудность заключается в том, что необходима синхронная регистрация энергетических параметров режима с видеоизображением исследуемого объекта. Для этих целей применен цифровой регистратор параметров сварки AWR-224МД 300А, который обеспечивает измерение, отображение и запоминание напряжения и тока дуги любых способов дуговой сварки.

Исследовательский комплекс для скоростной видеосъемки быстропротекающих процессов при сварке плавящимся электродом в защитных газах представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Исследовательский комплекс, где 1 - подвесная сварочная головка ГСП-2 для автоматической сварки плавящимся электродом в защитных газах; 2 - смененное газоподводящее сопло (одно или двухструйное) для изменения условий истечения защитного газа; 3 - система линз для фокусировки цифровой скоростной видеокамеры на объекте исследования; 4 - цифровая скоростная видеокамера «Видео Спринт» с возможностью регистрации быстропротекающих процессов (частота работы до 52000 кадров в секунду); 5 - цифровой регистратор параметров сварки AWR-224МД 300А; 6 - сварочный источник питания постоянного тока ВС-300Б для питания сварочной дуги; 7 - блок автоматического регулирования сварки БАРС-2В для автоматического регулирования параметров сварки (тока, напряжения, скорости сварки, расхода газа и т.д.), возбуждения и гашения дуги; 8 - дуговой прожектор для получения теневого изображения изучаемого объекта - процесса сварки плавящимся электродом; 8.1. - угольные электроды для создания мощного источника светового излучения; 8.2 - сферическое зеркало для отражения светового потока; 8.3 - система линз для фокусировки потока когерентного светового излучения; 9 - источник питания ТИР-315 для возбуждения и питания дуги между угольными электродами; 10 - персональный компьютер со специальным программным обеспечением (ПО) для регистрации характеристик тепломассопереноса от цифровой видеокамеры и регистратора параметров сварки AWR-224МД 300А, а также обработки и хранения полученной видео информации, а - изучаемый объект дуговой сварки; когерентный источник светового излучения, образованный дугой горящей между двумя угольными электродами.

1.2 Принцип работы исследовательского комплекса

Перед запуском комплекса проводится предварительная фокусировка прожектора (см. рис. 1, 8) на сварочную дугу, а так же фокусировка цифровой видеокамеры (4) при помощи системы линз (3). Запуск комплекса осуществляется в следующем порядке. Вначале включаются источник питания сварочной дуги (6) и дополнительный источник света (9) в режиме холостого хода. Затем включается блок автоматического регулирования сварки (7), цифровой регистратор параметров (5), компьютер (10) и цифровая камера (4) в режим ожидания. Устанавливаются необходимые режимы сварки (БАРС-2В, поз.7) и параметры видеофиксации (при помощи специального ПО, установленного на ЭВМ, 10). Возбуждается сварочная дуга (рис. 1, а) и дополнительная дуга между угольными электродами (рис. 1, б). В процессе сварки производится регистрация параметров при помощи регистратора параметров сварки AWR-224МД 300А (5) и видеокамеры (4) После прекращения процесса регистрирования, прекращается подача энергии на сварочную и дополнительную дугу. Далее происходит обработка видеоизображения и энергетических параметров режима в ЭВМ (10). После обработки видеоизображения файл сохраняется, изменяются параметры режима сварки, процесс повторяется.

1.3 Информационно-измерительный комплекс изучения кинетики плавления и переноса электродного металла

Одновременно с модернизацией стенда, связанной с применением видеокамеры и специального регистратора, производилась доработка информационно-измерительного комплекса (ИИК), использующего скоростную кинокамеру типа СК-3 и специализированное оборудование для адаптивной импульсно-дуговой сварки, рис. 2.

Рис. 2. Информационно-измерительный комплекс для изучения кинетики плавления и переноса электродного металла

С помощью модернизированного ИИК были проведены исследования характеристик массопереноса при дуговой сварке в защитных газах, как при одноструйной газовой защите, так и двухструйной.

Кинетику плавления и переноса электродного металла исследовали с использованием информационно-измерительного комплекса (ИИК), укомплектованного интерфейсной платой на основе аналого-цифрового преобразователя, позволяющей вводить в компьютер в цифровом виде аналоговые сигналы, поступающие с датчиков ИИК (значения тока сварки, напряжения). Была проведена компьютерная оптимизация временных параметров импульсно-дугового процесса сварки. Повышение частоты коротких замыканий до ~ 100 Гц позволяет в одном процессе совместить преимущества как «короткой», так и «длинной» дуги: высокую энергию плавления и управляемую проплавляющую способность дуги, гарантированную для различных толщин свариваемых деталей с минимальным уровнем разбрызгивания расплавленного металла. С помощью ИИК получены осциллограммы, кинокадры диаграмма процессов сварки в среде защитных газов.

В состав ИИК входят следующие компоненты: 1 - Сварочный стенд; 2 - Источник когерентного излучения (прожектор на ксеноновой лампе); 3 - Сварочный стенд (1) обеспечивает ведение сварки экспериментальных образцов в автоматическом режиме, во всех пространственных положениях и позволяет устанавливать следующие технологические параметры: вылет электрода от 5 мм до 40 мм, наклон горелки до 30, скорость сварки от 5 до 100 м/час. Для удобства киносъемки и получения наилучшего качества изображения, выбрана схема сварки с неподвижно закрепленной горелкой и перемещающимся вдоль нее свариваемым образцом, закрепленном на подвижном манипуляторе исследовательского стенда. При таком подходе кинокамеру не нужно перемещать синхронно с горелкой во время съемки. Стенд также позволяет перемещать манипулятор вокруг оси съемки (проходит через объектив кинокамеры и точку соприкосновения электрода со свариваемым образцом), обеспечивая возможность сварки в нижнем, потолочном и во всех промежуточных положениях. Механизм крепления горелки позволяет перемещать ее по всей плоскости исследуемого образца для установки ее в точку начала сварки. При включении в сварочную цепь постового регулятора УДГИ -201 или УДГИ - 301 (5) сварка ведется в режиме импульсной стабилизации. Для изучения процессов тепло- массопереноса между электродом и сварочной ванной используется киносъемка, которая осуществляется высокоскоростной кинокамерой (3). Поскольку сварочная дуга является мощным источником света, то киносъемка ведется при теневом изображении электрода и капель электродного металла. Для получения теневого изображения дуга пересвечивается мощным световым потоком, получаемым от прожектора (2). Прожектор оборудован фокусирующим устройством для получения наибольшего светового потока в области сварочной дуги. Съемка ведется со скоростью от 100 до 5000 кадров в секунду, что позволяет при просмотре фильма со стандартной частотой развертки 24 кадра в секунду получить замедление наблюдаемого процесса до 200 раз.

Для регистрации таких параметров, как сварочный ток, напряжение на дуге, скорость сварки и подачи электрода, а так же синхронизации киносъемки и сварочного процесса в состав ИИК включены: блок согласования (8), аналого-цифровой преобразователь (9) и компьютер (10). Сигналы контролируемых параметров поступают с датчиков и цепей ИИК в БС, где приводятся к значениям, допустимым для ввода в АЦП. АЦП изготовлен в виде платы, подключаемой к компьютеру (типа IBM PC AT) через ISA шину. Блок АЦП построен на отечественной элементной базе и имеет следующие технические характеристики:

Количество входных аналоговых каналов - 8 (независимых);

Количество цифровых входов-выходов - 24;

Уровень входного сигнала, В - от 0 до +8,0;

Количество разрядов АЦП - 12;

Время преобразования одного канала, сек - не более 4010-6;

Количество выходных аналоговых каналов - 1.

В АЦП аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой код, который обрабатывается программным обеспечением, написанным для операционной среды MS Windows. Программы позволяют вести наблюдение за контролируемыми параметрами в режиме реального времени, записывать данные в файл с последующим воспроизведением на экране компьютера, качественно оценивать стабильность регистрируемых параметров и производить расчет различных значений (длительности явлений, мгновенных и средних значений). Для оценки сварочно-технологических свойств порошковой проволоки использовали следующие характеристики сварочного процесса:

* стабильность зажигания дуги;

* стабильность горения дуги;

* стабильность переноса капель электродного металла;

* величина разбрызгивания.

Стабильность зажигания дуги, стабильность горения дуги и стабильность переноса капель электродного металла определяли с помощью ИКК и методом скоростной киносъёмки (5000 кадров/с).

2. Особенности процессов плавления и переноса электродного металла при сварке в защитных газах

2.1 Перенос электродного металла

Перенос металла с электрода на изделие является одной из важнейших характеристик сварки плавящимся электродом в защитных газах, он определяет технологические характеристики и области применения процессов сварки. Перенос металла может происходить в виде жидких капель различных размеров и пара. Основные виды переноса электродного металла при дуговой сварке в защитных газах следующие:

1) крупнокапельный с естественными короткими замыканиями разрядного промежутка;

2) крупнокапельный без коротких замыканий;

3) перенос каплями среднего размера без коротких замыканий;

4) струйный перенос электродного металла;

5) управляемый принудительный перенос каплями среднего размера без коротких замыканий;

6) перенос с принудительными короткими замыканиями разрядного промежутка каплями;

7) струйно-вращательный.

Перечисленные виды переноса электродного металла могут быть получены при сварке с постоянной и пульсирующей скоростью подачи электродной проволоки. Характер переноса электродного металла определяется энергетическими параметрами режима сварки и всецело зависит от комплекса сил, действующих на каплю электродного металла, находящуюся на торце непрерывно подаваемого электрода.

Виды процессов определяются характером переноса электродного металла. Характерным признаком сварки с естественными короткими замыканиями является образование на электроде крупных капель - в 1,5 раза и более, превышающих диаметр электрода. Капли указанных размеров, как правило, переходят в сварочную ванну во время коротких замыканий дугового промежутка. В процессе сварки с непрерывным горением дуги диаметр отрывающихся от электрода капель зависит от режима сварки и состава защитного газа и может быть от 0,8 до 2,5 диаметра электрода. При реализации струйного переноса электродного металла в сварочную ванну, жидкий металл на торце электрода формируется в виде конуса, с конца которого отрываются капли диаметром менее 0,7 диаметра электрода.

При струйно-вращательном переносе электродного металла дуга и электродный металл осуществляют круговые движения конусообразного металла плавящегося электрода, с конца которого, также как и при струйном переносе, отрываются капли диаметром менее 0,7 диаметра электрода.

При сварке стационарной дугой наблюдаются кратковременные изменения длины дуги, напряжения и тока, вызванные переносом крупных капель, однако при стабильном процессе характеристики плавления электрода и изделия определяются не ими, а параметрами стационарно горящей дуги.

3. Управление плавлением и переносом металла при дуговой сварке

Сварка в защитных газах легко поддается управлению. Основным условием стабильности процесса сварки нестационарной дугой является строго закономерное изменение напряжения, тока, длины дуги, и именно они определяют основные характеристики процесса (плавление и перенос электродного металла, проплавление детали и др.). Управление процессом производят путем импульсного повышения и уменьшения тока дуги.

Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом относится к механизированным способам сварки с программным управлением. Программное изменение основных энергетических параметров режима преследует такие технологические цели, как управление плавлением и переносом электродного металла и управление кристаллизацией сварочной ванны и термическим циклом. Достижение первой связано с управлением энергетическими параметрами в частотном диапазоне следования импульсов 25 - 300 Гц, а второй - реализуется в частотном диапазоне 0,25 - 5 Гц. Такой процесс обычно называют сваркой пульсирующей дугой, или модулированным током.

Импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом называется процесс программного управления плавлением и переносом металла путем изменения тока в виде импульсов значительной мощности.

Существуют два основных вида переноса электродного металла при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом: «длинной дугой» - без замыкания дугового промежутка и «короткой дугой» - перенос электродного металла осуществляется во время коротких замыканий дугового промежутка (рис. 3).



Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения дуги при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом «длинной» (а) и «короткой» (б) дугой.

Основными параметрами импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом «длинной дугой» (см. рис. 3, а) помимо известных являются амплитуда импульса Iи, длительности импульса tи, паузы tп и цикла Tц = tи + tп, частота импульсов f = 1/Tц, базовый ток Iб, или ток паузы, скорость нарастания тока импульса и его спада, скважность импульсов Q = Tц /tи.

Характерная особенность импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом - управляемый перенос электродного металла. Существуют две разновидности управляемого переноса при сварке «длинной дугой»: 1 - импульс тока обеспечивает перенос одной капли электродного металла; 2 - при каждом импульсе тока от электрода отделяется и переносится в сварочную ванну несколько капель - такой процесс называется импульсно-дуговой сваркой с прерывисто струйным переносом металла. Процесс импульсно-дуговой сварки, обеспечивающий перенос электродного металла «импульс - капля», характерен для сварки в аргоне и углекислом газе, а также для сварки самозащитными порошковыми проволоками. Прерывисто струйный перенос характерен для сварки активированным электродом на токе прямой полярности, как в активных, так и в инертных газах, а также для сварки в аргоне током обратной полярности. При этом длительности импульсов тока во втором случае выбираются значительно большими, чем в первом.

Суть импульсно-дуговой сварки «длинной дугой» заключается в наложении мощных кратковременных импульсов тока на сварочную дугу средней мощности. При этом происходит резкое увеличение электродинамических сил, которые формируют жидкий металл на торце электрода в виде капли и сбрасывают ее строго в сварочную ванну в любом пространственном положении последней. Это дает возможность осуществлять мелкокапельный перенос при сварочном токе основного режима ниже критического значения, при котором в случае стационарного режима сварки с ростом тока резко уменьшается размер переносимых капель электродного металла.

Импульсно-дуговая сварка «короткой дугой» (см. рис. 3, б) реализуется в основном в защитной среде углекислого газа, но может иметь место и в Аr, Аr + СO2 + O2 и т.д.

Процесс сварки в углекислом газе «короткой дугой» благодаря высокой производительности, широкой возможности механизации и автоматизации, обеспечению формирования неразъемных соединений в различных пространственных положениях широко применяется в ряде отраслей народного хозяйства. Однако для существующих методов характерны нестабильность и повышенное разбрызгивание электродного металла, что приводит к снижению производительности сварочных работ и дополнительным трудозатратам по зачистке свариваемых изделий от налипающих брызг электродного металла. Указанные недостатки в основном определяются свойствами питающей системы и зависят от характера изменения мгновенной мощности на интервалах горения дуги и короткого замыкания.

Для устранения основных недостатков, характерных для сварки «короткой дугой», наиболее эффективен процесс сварки, контролируемый по каналам обратных связей и зависящий от мгновенных значений его параметров. Он более устойчив как к постоянно действующим возмущениям на протяжении всего цикла сварки, так и к мгновенным возмущениям, действующим в пределах микроцикла. Представленный на рисунке процесс сварки кроме общепринятых показателей характеризуется дополнительными параметрами: Тц - периодом повторения микроциклов; tп1 - паузой в протекании сварочного тока к моменту разрыва перемычки; tи - длительностью горения дуги в импульсе; tп2 - длительностью горения дуги в паузе; Iкз - пиковым значением тока короткого замыкания; tп - значением тока паузы.

Суть импульсно-дуговой сварки короткой дугой заключается в обеспечении квазистабилизации процесса сварки с короткими замыканиями на стадии каплеобразования и достигается идентичными условиями плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну.

Процесс импульсно-дуговой сварки пульсирующей дугой или модулированным током предполагает периодическое изменение энергетического состояния системы источник питания - сварочная дуга между высоким (импульс) и низким (пауза) уровнями.

Рис. 4. Осциллограммы тока дуги процессов сварки модулированным током

В периоды импульсов тока расплавляется основная часть электродного и свариваемого металлов, в последующие периоды паузы происходит кристаллизация большей части сварочной ванны. Существует большое количество способов сварки модулированным током, рис. 4.

Анализ научно-технической и патентной литературы, касающейся приемов модулирования сварочного тока, показывает, что наиболее приемлемой частотой, с точки зрения управления формированием металла шва, является частота в пределах 0,25 - 25 Гц. Указанный диапазон соизмерим с теплоинерционностью сварочной ванны, что позволяет периодически изменять тепловой поток, вводимый в металл, и тем самым регулировать во время сварки процесс проплавления основного металла и формирования шва. При низкочастотной модуляции тока достигается периодичность плавления и кристаллизации металла, что благоприятно сказывается на свойствах сварного соединения и наплавленного металла, а также значительно упрощается техника формирования сварных соединений во всех пространственных положениях.

Для практической реализации процесса сварки модулированным током в защитных газах требуется синхронная модуляция скорости подачи электродной проволоки с выходными характеристиками источника питания, что требует дополнительной доработки блоков управления сварочным оборудованием.

4. Комплекс сил, действующих на каплю электродного металла

При сварке в защитных газах на каплю электродного металла действуют следующие силы: сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электродинамическая сила, реактивное давление испаряющегося с поверхности капли металла и выделения газа, сила давления потоков плазмы дугового промежутка, сила взрыва жидкой перемычки между каплей и электродом или ванной. Помимо этих сил, в ряде случаев оказывают существенное влияние инерция движения капли, например при вибрации электрода.

4.1 Сила тяжести капли

Оказывает существенное влияние только при значительных размерах капель. В зависимости от пространственного расположения шва сила тяжести способствует отрыву капли от электрода (в нижнем положении), препятствует отрыву (в потолочном) или стремится отклонить каплю относительно оси электрода (в вертикальном положении). При сварке в среде аргона капля электродного металла обычно имеет шарообразную форму. Сила тяжести оказывает существенное влияние только при значительных размерах капель. В зависимости от пространственного расположения шва сила тяжести способствует отрыву капли от электрода (в нижнем положении), препятствует отрыву (в потолочном) или стремится отклонить каплю от оси электрода (в вертикальном положении). Размер капли определяют по данным скоростной киносъемки или расчетным путем по скорости подачи проволоки и частоте переноса.

4.2 Сила поверхностного натяжения

Сила поверхностного натяжения обычно препятствует переносу капель с электрода в ванну и зависит от состава электрода и защитного газа. Местом приложения силы поверхностного натяжения может быть сечение на жидкой капле, в котором эта сила минимальна. До образования шейки местом приложения силы тяжести может быть принята плоскость, проходящая через границу между твердым и жидким металлами. В этом сечении силу тяжести, направленную по касательной к поверхности капли, можно разложить на составляющие: осевую, удерживающую каплю на электроде, и радиальную, стремящуюся сжать каплю и образовать шейку. После образования шейки местом приложения силы можно считать плоскость, проходящую через минимальное сечение шейки жидкого металла. Размер капель, отрываемых принудительно от электрода, влияет на соотношение осевой и радиальной сил, а, следовательно, и на отрыв капель. Как правило, наиболее мягкий отрыв капель наблюдается при соотношениях радиуса капли к радиусу электрода в пределах 1,15 - 1,5. Если отношение радиусов <1,5, значительно уменьшается радиальная сила и увеличивается осевая, что затрудняет образование шейки и отрыв капли. При отношении радиусов >1,5, размер капель чрезмерно велик и принудительный отрыв их также затруднен.

4.3 Электродинамическая сила

Возникает при прохождении тока по проводнику из-за взаимодействия тока с собственным магнитным полем. Если сечение проводника постоянно, то эта сила направлена по радиусу к оси проводника и стремится его сжать. Если сечение проводника неодинаково по длине, то возникает осевое усилие, направленное от меньшего сечения к большему. При этом осевая сила не зависит от направления тока. Изменение поперечного сечения проводника возможно в месте перехода от твердого электрода к жидкой капле и в месте перехода от капли к дуге. Местом приложения электродинамической силы при отрыве капли от электрода можно условно считать плоскость, в которой жидкая шейка минимальна.

4.4 Реактивное давление испаряющегося металла и выделения газа

При сварке в среде защитных газов расплавленный металл на электроде и изделии в зоне активных пятен находится при температуре, близкой к температуре кипения. Поэтому с активных пятен происходит интенсивное испарение, а иногда газовыделение. Потоки паров направлены перпендикулярно к испаряющейся поверхности, но поскольку пары в дуге ионизируются, дальнейшее направление потоков определяется направлением собственного или внешнего магнитного поля в дуге.

Потоки плазмы образуются в результате испарения металла и действия электродинамических сил. В большинстве дуг с плавящимися электродами наблюдается одновременно два потока, двигающихся от электродов навстречу один другому. Мощность этих потоков неодинакова. Более мощный поток подавляет слабый и определяет результирующее усилие, действующее на электрод и ванну. Плазменные потоки, часто обладающие большой кинетической энергией, оказывают значительное давление на электроды. Помимо этого может возникать отражающий поток, оказывающий воздействие на каплю. Не исключена возможность создания плазменными потоками зоны пониженного давления у электродов, с которых они истекают.

4.5 Сила взрыва жидкой перемычки между каплей и электродом или ванной

Взрывообразное перегорание жидких мостиков между каплей и электродом или каплей и ванной является одной из основных сил, определяющих перенос и разбрызгивание при сварке в СО2.

Разбрызгивание при сварке в защитных газах зависит от: рода защитного газа, вида процесса сварки и переноса электродного металла, диаметра, состава и типа электродной проволоки, наличия загрязнений на проволоке и свариваемом металле, качества защиты зоны сварки, техники сварки, статических и динамических свойств источника тока.

Анализ представленных сил, действующих на каплю электродного металла, показывает, что для получения управляемого переноса электродного металла необходимо создание таких условий, которые бы обеспечивали образование шейки по линии расплавления электрода и принудительное отделение капли электродного металла. Это может быть достигнуто за счет значительного увеличения электродинамической силы, значение которой пропорционально квадратичному значению сварочного тока. Следовательно, при значительном увеличении сварочного тока в импульсе может соответственно возрастать электродинамическая сила. В такие моменты времени она значительно преобладает над другими силами.

В случае сварки в среде аргона, когда столб дуги имеет расширяющуюся конусообразную форму, действие электродинамической силы таково, что она стремится оторвать каплю электродного металла и принудительно направить ее в сварочную ванну. Таким образом, при увеличении тока на интервале действия импульсов тока будет иметь место резкое увеличение электродинамической силы и направленный перенос электродного металла.

5. Характеристика процесса сварки в среде углекислого газа с короткими замыканиями дугового промежутка

Исходя из анализа многочисленных кинограмм и осциллограмм, включая полученные нами, рис. 5., схему одного микроцикла процесса с частыми короткими замыканиями можно представить следующим образом.

Тепло, выделяемое дугой после её зажигания, интенсивно расплавляет электродную проволоку, непрерывно подаваемую к детали, и деталь. Длина дуги быстро увеличивается в результате оплавления электрода и погружения дуги в ванну. На торце электрода образуется капля электродного металла, которая вследствие комплекса сил, действующих на неё, вытесняется на его боковую поверхность. По мере увеличения объема капли, и уменьшения тока скорость расплавления электродной проволоки и давление дуги уменьшаются. Капля расплавленного металла, находящаяся на торце непрерывно подаваемого электрода, и сварочная ванна приближаются друг к другу и замыкают дуговой промежуток. В начальной стадии короткого замыкания под действием сил поверхностного натяжения происходит слияние капли с ванной.

Рис. 5. Осциллограммы и кинокадры сварочного микроцикла процесса сварки в среде С02 с короткими замыканиями дугового промежутка (последовательность изменения кинокадров от 1 > 12).

Далее по мере развития контакта образуется перемычка, которая сжимается под действием электромагнитных сил. В результате их действия между электродом и каплей образуется шейка, которая интенсивно разогревается джоулевым теплом и разрушается. Под действием электромагнитных сил, возникающих в момент повторного возбуждения дуги, металл ванны оттесняется в хвостовую часть. Энергия, накопленная в индуктивном сопротивлении сварочной цепи, выделяется на дуговом промежутке и совместно с током, протекающим в цепи за счет электродвижущей силы (ЭДС) источника питания, обеспечивает плавление электродной проволоки и основного металла. Параметры индуктивного сопротивления сварочной цепи определяют скорость нарастания тока короткого замыкания и его спада во время горения дуги, от которых зависит стабильность процесса сварки и разбрызгивание электродного металла.

Исходя из рассмотренной схемы процесса сварки, можно выделить две основные стадии в пределах одного микроцикла:

* Стадия короткого замыкания, во время которой происходит перенос электродного металла;

* Стадия горения дуги, на интервале которой происходит расплавление электродного металла. Причем весь процесс сварки представляет собой протекание периодически повторяющихся микроциклов.

Основными параметрами данного процесса являются: среднее напряжение процесса сварки Uсв; средняя сила тока процесса сварки Icв, среднее напряжение дуги Uд; максимальная сила тока Imax ; минимальная сила тока Imin; длительность горения дуги tд; длительность короткого замыкания tк.з; длительность цикла T= tд + tк.з; скорость нарастания силы тока при коротком замыкании разрядного промежутка каплей dIкз/dt и скорость спада силы тока при горении дуги dIд/dt.

6. Исследование факторов, влияющих на стабильность процесса сварки и разбрызгивание электродного металла

Стабильность процесса сварки и разбрызгивание электродного металла в основном определяются:

- технологическими факторами;

- пространственным положением сварки;

- динамическими свойствами источников питания.

Первая группа причин связана с применением повышенных режимов, которые увеличивают интенсивность металлургических реакций в капле и ванне. Так, например, с повышением дугового напряжения увеличивается длина дуги, длительность периодов горения дуги и диаметр капель. Форма шва с повышением дугового напряжения несколько улучшается. Но увеличивается окисление элементов и разбрызгивание. При повышенных дуговых напряжениях процесс переходит в неуправляемый крупнокапельный. Потери на окисление и разбрызгивание резко увеличиваются. Кроме того, на стабильность процесса и разбрызгивание электродного металла большое влияние оказывает состояние сварочных материалов и их химический состав.

Для того, чтобы перечисленные факторы не ухудшали процесс сварки и не увеличивали разбрызгивание электродного металла, необходимо вести процесс на нормальных режимах ( при плотностях тока j ? 100 А/ммІ), применять для сварки чистую проволоку, соответствующую ГОСТ - 2246-71. Для защиты проволоки от ржавчины рекомендуют применять специальные антикоррозийные покрытия, а также использовать в качестве защитной среды смеси газов.

Эта группа причин оказывает косвенное действие на стабильное протекание процесса и обуславливается нарушением нормальных условий переноса электродного металла (размера капель, частоты коротких замыканий и длительности горения дуги), а также условий горения дуги. От перечисленных факторов зависит действие основных факторов, приводящих к ухудшению процесса (увеличение нестабильности, увеличение энергии взрыва и газодинамического удара, изменение частоты коротких замыканий и др.).

Группа причин, связанная с положением сварки, в основном определяется комплексом, сил, действующих на каплю расплавленного металла при её переносе в сварочную ванну.

При сварке в среде углекислого газа (СО2) с короткими замыканиями дугового промежутка на каплю электродного металла действуют следующие основные силы: сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электродинамическая сила, реактивное давление паров испаряющегося металла и выделения газа и сила давления потоков плазмы дуги.

а)

б)

Рис. 6. а) кинокадры сварочного микроцикла процесса сварки в СО2 в вертикальном положении; б) кинокадры сварочного микроцикла процесса сварки в СО2 в потолочном положении

Анализ действия рассмотренного комплекса сил показывает, что при сварке в среде СО2 почти все силы (кроме силы тяжести) препятствуют переносу электродного металла в сварочную ванну. Это способствует вытеснению расплавленного электродного металла на боковую поверхность, что в свою очередь способствует усилению нестабильности процесса и увеличению разбрызгивания. Пространственное положение сварочной ванны, отличное от нижнего, ещё более усиливает действие перечисленных факторов.

Анализ кинокадров процесса сварки с короткими замыканиями дугового промежутка, представленных на рис. 6, позволяет представить плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну в положениях, отличных от нижнего, следующим образом.

В начальный период образования капля находится на торце электрода под действием силы поверхностного натяжения. При этом размер капли незначительно превышает диаметр проволоки. При дальнейшем увеличении объема капли сила тяжести преобладает над силой поверхностного натяжения, и капля Электродного металла начинает стекать с торца на боковую поверхность электрода, как в потолочном, так и в вертикальном положениях. При этом размер капель по сравнению со сваркой в нижнем положением увеличен. Кроме перечисленных сил на размер капли оказывает влияние реактивное давление паров, которое способствует стеканию жидкой капли на боковую поверхность, следует отметить также большую, чем в нижнем положении, подвижность сварочной ванны, которая наплывая (вертикальное положение), либо отвисая (потолочное положение), способствует ускорению образования короткого замыкания. Перенос капли в ванну происходит в основном под действием силы поверхностного натяжения и электромагнитной силы, которая ускоряет образование и разрыв шейки электродного металла. При этом подвижность капель жидкого металла в положениях, отличных от нижнего вследствие расположения их на боковой поверхности несколько меньше, чем при сварке в нижнем положении. При увеличенном размере капель они часто не достигают сварочной ванны, падают вниз на наконечник, увеличивают потери металла на разбрызгивание, понижают стабильность процесса сварки и часто нарушают нормальное его протекание. Основная причина, влияющая на указанные недостатки процесса сварки в среде СО2, связана с динамическими свойствами источника питания и определяется программой изменения мгновенной мощности как на интервале горения дуги, так и на интервале короткого замыкания. В процессе сварки длительность горения дуги сильно зависит от величины сварочного тока и энергии, запасенной в индуктивном сопротивлении сварочного дросселя на интервале короткого замыкания, указанные параметры режима сварки определяют комплекс сил, действующих на каплю электродного металла и сварочную ванну, которые, как было показано выше, препятствуют её переносу во всех пространственных положениях. Все это определяет размеры капли электродного металла, момент короткого замыкания и его длительность, а, следовательно, и энергию, запасенную в дросселе и выделяемую на дуговом промежутке после повторного возбуждения дуги. Поскольку длительности горения дуги не постоянны, то не постоянными будут и длительности коротких замыканий, поэтому в сварочном дросселе будет запасаться разное количество энергии, идущей затем на плавление электродного металла. Все это предопределяет вероятностный характер коротких замыканий, который приводит к нестабильности процесса сварки и увеличению разбрызгивания электродного металла.

При ведении процесса сварки в положениях, отличных от нижнего, факторы, влияющие на основные его недостатки ещё более усиливаются, т.к. при этом повышается роль движения металла сварочной ванны в механизме коротких замыканий, что предопределяет ещё большую нестабильность процесса и увеличивает разбрызгивание электродного металла. В связи с отмеченным, устранение основных недостатков процесса сварки короткой дугой возможно только за счёт перераспределения комплекса сил, действующих на каплю электродного металла и сварочную ванну таким образом, чтобы обеспечивались идентичные условия для её расплавления и переноса. Такое ведение процесса можно обеспечить при использовании специальных систем управления процессом сварки совместно с источниками питания, имеющих необходимые динамические свойства.

7. Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла при механизированной сварке плавящимся электродом с импульсной подачей электродной проволоки сплошного сечения

В основу процесса дуговой сварки с импульсной подачей электродной проволоки, положено использование силы инерции, действующей в период торможения электрода на каплю электродного металла, находящуюся на торце подаваемого электрода, вследствие силы поверхностного натяжения. При этом на этапе торможения подаваемого электрода, капля расплавленного металла стремится сохранить перемещение в направлении сварочной ванны и закорачивает дуговой промежуток.

Реализация процесса сварки осуществляется с использованием механизма подачи электродной проволоки, представленного на рис.7.

Рис. 7. Схема работы механизма, где 1,2 - захваты электродной проволоки

На первом этапе происходит формирование капли за счет плавления электродной проволоки. Продолжительность этого этапа зависит от времени

прохождения штоком угла подъема и определяется конструктивными особенностями кулачка и частотой его вращения.

Шток, перемещаясь по профилю кулачка, воздействует на проволоку, изгибая ее на расстоянии между захватами. От величины перемещения штока зависит форма изгиба электродной проволоки и, следовательно, величина упругих сил возникающих в ней (рис. 7). Время первого этапа составляет 0,011с. Этап формирования капли представлен на рис. 8.

Рис. 8. Этап формирование капли, t=0,011c

На втором этапе микроцикла при попадании штока на спад кулачка, с проволоки снимается изгибающее усилие. Это приводит к тому, что под действием упругих сил, возникших в проволоке при изгибе, и сил действующих со стороны деформированной пружины проволока выпрямляется. При этом захват 2 (рис. 7) открывается и происходит перемещение электродной проволоки с находящейся на ее торце жидкой каплей в направлении металлической ванны. Захват 1 в это время закрыт и препятствует перемещению проволоки обратно в кассету. В течение первого этапа капля имеет нулевую скорость движения относительно электрода. Поэтому начало второго этапа сопровождается возникновением силы инерции, действующей на каплю и направленную противоположно движению электрода. Это способствует оттеснению капли на боковую поверхность электрода (см. рис. 9).

Рис. 9. Этап движения электродной проволоки, t=0,002c.

На третьем этапе, когда шток достигает конца угла опускания, происходит его торможение. При этом, в силу определенной инерционности жидкого металла, капля, находящаяся на торце электрода продолжает движение. Сила инерции, возникающая при этом, направлена от электрода к сварочной ванне и затрачивается на перемещение капли через дуговой промежуток. Величина силы инерции зависит от кинетической энергии движения, полученной каплей на втором этапе, и времени торможения проволоки (рис. 10).

Рис. 10 Этап торможение капли, t=0,004c.

На четвертом этапе происходит соприкосновение жидкой капли, находящейся на торце электрода и металлической ванны, образование перемычки и переход металла капли в сварочную ванну. Минимальное значение кинетической энергии движения капли в момент ее соприкосновения с жидкой ванной, исключает их упругое соударение. Но в тоже время способствует ускорению втягивания капли объемом металла сварочной ванны (рис. 11).

Рис. 11. Этап короткого замыкания, утончения и разрыва перемычки, t=0,004c.

Согласно вышесказанному кинетика переноса металла зависит от конструктивных особенностей механизма импульсной подачи электродной проволоки и определяется формой и размерами кулачка и расстоянием между захватами.

8. Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой диаметром до 1,2 мм

Одним из наиболее перспективных направлений поисков новых высокоэффективных вариантов дуговой сварки порошковыми проволоками является направление, предусматривающее регулируемое введение энергии в зону сварки, что должно способствовать управляемому переносу электродного металла в сварочную ванну, стабилизации ее движений и минимальное разбрызгивание электродного металла. Наиболее эффективно сформулированную задачу решают адаптивные импульсные технологические процессы, которые обеспечивают программируемое изменение энергетических параметров процесса в зависимости от состояния объекта управления (источник питания - электрод - дуга - сварочная ванна - изделие) и корректируемое через каналы обратных связей.

Реализация алгоритмов импульсного управления энергетическими характеристиками процесса позволяет, осуществляя программируемый ввод тепла в зону сварного соединения, управлять процессами плавления и переноса каждой капли электродного металла, формирования структуры шва и зоны термического влияния, уменьшать степень остаточных деформаций сварных соединений при обеспечении стабильности импульсного режима в различных пространственных положениях.

В отличие от известных в мировой практике процессов дуговой сварки, в том числе и импульсных, использующих алгоритмы управления по жёстко заданной программе, адаптивные импульсные процессы реализуют корректировку выбранного алгоритма через каналы обратных связей по мгновенным значениям основных энергетических параметров сварочного процесса в зависимости от состояния объекта управления: источник питания - дуга - зона сварочного соединения. Указанные преимущества определяют широкую область применения и возможности адаптивных импульсных процессов не только в области прогнозирования качества и надёжности неразъёмных соединений, но и обеспечения заданных эксплуатационных характеристик получаемых изделий. Одним из основных преимуществ процесса сварки импульсной дугой являются лучшие, чем при сварке стационарной дугой, условия выполнения швов в разных пространственных положениях. При наплавке вертикальных и потолочных швов крайне важно предупредить вытекание металла из ванны. Способность металла вытекать из ванны под действием различных сил определяет текучесть ванны, которая является сложной характеристикой, зависящей от массы ванны, поверхностного натяжения металла, условий охлаждения вытекающего металла, его теплосодержания, кинематической вязкости и т. п.

Главную роль играет масса ванны, которая определяет не только силу, противодействующую силам сцепления и удерживающим жидкий металл, но и запас теплоты в ванне. Чем больше размер ванны, тем больший в данных условиях теплоотвода промежуток времени требуется для ее охлаждения. Скорость охлаждения определяет как текучесть ванны, так и ее массу в единицу времени, которые обеспечивают возможность сварки в разных пространственных положениях.

Для реализации адаптивных импульсных технологии сварки используют специализированное оборудование с блочно-модульным принципом построения, обеспечивающим возможность дозирования энергии, стабилизации мгновенных значений основных энергетических параметров процесса сварки и контроля качества (стабильности) технологического процесса. По сравнению со стационарными адаптивные импульсные технологии сварки обеспечивают:

- управление процессами плавления, переноса и кристаллизации металла сварочной ванны при значительно меньших средних значениях технологических параметров (сварочный ток, дуговое напряжение, мощность отдельного микроцикла);

- увеличение скорости кристаллизации сварочной ванны вследствие нестационарного энергетического воздействия источника нагрева на сварочную ванну, уменьшающего температуру расплавленного металла;

- уменьшение степени деформационных процессов сварных соединений; повышение качественных характеристик (повышение однородности химического состава по всему объему металла шва; повышение механических свойств сварного соединения).

Отмеченные достоинства достигаются направленной кристаллизацией сварочной ванны и усилением гидродинамических процессов в расплавленном металле, способствующим интенсивной дегазации сварочной ванны и равномерному распределению легирующих элементов по всему объему расплава, что особенно важно при сварке порошковыми проволоками. Кинетику плавления порошковой проволоки исследовали при следующих режимах сварки:

* без защиты в режиме импульсной стабилизации короткой дугой;

* без стабилизации массопереноса в среде СО2 короткой дугой;

* со стабилизацией массопереноса в среде СО2 короткой дугой;

* без стабилизации длинной дугой в аргоне;

* в режиме импульсной стабилизации короткой дугой в аргоне;

* без стабилизации в среде СО2 длинной дугой;

* в режиме импульсной стабилизации длинной дугой в аргоне.

Для сравнения получены данные о кинетике плавления электродной проволоки без защиты в стационарном режиме.

В качестве источника сварочной дуги использовали выпрямитель типа ВС -300Б с жесткой внешней вольт - амперной характеристикой и механизм подачи сварочной проволоки ПДГ - 516. Для стабилизации процесса сварки в режиме «короткой дуги» применяли устройство УДГИ - 201, которое включается в сварочную цепь и работает по принципу импульсно регулируемого сопротивления. Для стабилизации процесса сварки в режиме «длинной дуги» использовали устройство УДГИ - 301, так же включаемое в сварочную цепь для формирования импульсов, с возможностью изменения по длительности в пределах (0,9 - 1,2) х 10-3 с и регулирования частоты следования импульсов в пределах 25 - 100 Гц.

Для сварки длинной дугой использовали аргон высшего сорта (не менее 99,99 % Ar, ГОСТ 10157 - 79), для сварки короткой дугой - углекислый газ первого сорта (не менее 99,5 % СО2 , ГОСТ 8050 - 76). В качестве исследуемых электродных материалов применялись проволоки сплошного сечения типа Св08Г2С- О и самозащитная порошковая проволока 48ПП - 8Н, 2 мм.

9. Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой без газовой защиты на стационарном режиме

Исследование сварочно-технологических свойств порошковой проволоки, 1,2 мм начиналось с изучения особенностей горения дуги, плавления электрода и переноса электродного металла на стационарном режиме без дополнительной газовой защиты сварочной ванны. На рис. 12 приведены кинокадры процесса плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну. Анализ представленных кинокадров сварочного микроцикла (плавление и перенос одной капли электродного металла) показывает, что при минимальных значениях напряжения на дуге, в момент повторного возбуждения дуги происходит интенсивное оплавление торца электродной проволоки. При этом вследствие комплекса сил, действующих на каплю электродного металла, расплавленная часть электрода смещается на его боковую поверхность, занимая пространственно неустойчивое положение (фазы 4-5, рис. 12). Давлением дуги сварочная ванна вытесняется из-под дуги, формируя в ней кратер, размеры которого изменяются по мере роста капли электродного металла и уменьшения скорости плавления электрода. Обращает на себя внимание тот факт (фазы 3-4, рис. 12), что скорость плавления сердечника проволоки отстает от скорости плавления электрода, что приводит к закорачиванию дугового промежутка сердечником, а затем, уже много позже, каплей электродного металла. Отмеченное обстоятельство приводит к затягиванию длительности короткого замыкания и увеличению пикового значения тока короткого замыкания.