Введение к работе
Актуалымсть темы. Алюминиевые сплавы благодаря малому удельному весу, высоким удельной прочности л коррозионной стойкости, хорошей обрабатываемости все шире применяются в качестве конструкционных материалов. Значительное место при прошводстве конструкций из алюминиевых сплавов занимают сварочные процессы. Среди них наиболее перспективными являются технологии с использованием сжатых дуг. Преимущества сжатой дуги определяются возможностями регулирования ее энергетических характеристик в более широких пределах, повышением стабильности горения и пространственной устойчивости, экономичностью.
Несмотря па интенсивное развитие технологических процессов, не все потенциальные возможности сжатых дуг в плане конкретных технологий можно считать освоенными. На практике основное применение находят сжатые дуги прямой полярности. Сжатые дуги обратной полярности и переменпого тока пашли ограниченное применение и по ним объем проведённых исследований заметно уступает исследованиям дуг прямой полярности. Для дуги обратной полярности такое положение обусловлено низкой стойкостью неплавящегося электрода плазмотрона, более низкой проплавляющей способностью дуги, а в отношении дуги переменного тока главным затруднением является обеспечение повторных зажиганий при смене полярности. Это привело к тому, что обработка алюминиевых сплавов производится преимущественно свободными дугами, а преимущества сжатых дуг используются недостаточно.
В отношении свободной дуги применительно к сварке алюминиевых сплавов пеплавящим-ся электродом проблему устойчивости повторных зажиганий и повышения эффективности процесса во многом удалось реппггь путём внедрения трёхфазной дуги с неплавящимися вольфрамовыми электродами. Поэтому в данной работе для получения устойчивой сжатой дуги перемепного тока в качестве основного объекта исследования была выбрана трёхфазпая сжатая дуга, которая рапее пе изучалась. С точки зрения физических и технологических особенностей и возможностей трехфазную сжатую дугу следует считать новом видом сжатых дуг.
Поскольку в евзрочпой технике накоплен значительный материал по энергетическим и технологическим характеристикам различных видов сжатых дуг, исследования выполнялась на основе теоретического обобщения имеющихся достижений и новых экспериментальных и теоретических исследований трёхфазной сжатой дуги.
В работе выполнены комплексные исследования энергетических характеристик трёхфазной сжатой дуги с использоваием аргона в качестве плазмобразующего газа в их взаимосвязи с характеристиками воздействия на обрабатываемое изделие. Это позволило получить в качестве одного из важных результатов подход к построению систем компьютерного проектирования и оптимизации технологических процессов с использованием сжатых дуг. Большинство результатов, полученных в ходе экспериментальных и теоретических исследований применимо, в той или иной степени, для различных видов сжатых дуг.
Исследования проводились на кафедре "Оборудование и технология сварочного производства" Тольяттинского политехнического института в соответствии с планом подготовки научных кадров по специальности 05.03.06 и смежным специальностям на 1990-1995 годы. Отдельные разделы работы включались в Сводный план научно-исследовательских, проектно-конструкторских и технологических работ по сварочной науке и технике с 1975 по 1990 гг..
одобренный Объединенной сессией Научного совета по проблеме "Новые процессы сварки и сварные конструкции" ГКНТ и Координационным Советом по сварке. В 1985-1990 гт. исследования проводились в соответствии с планами комплексной научно-технической программы «Ремонт» Министерства сельского хозяйства РФ и научно-технической программы «Сибирь» СО Академии Наук (блок 5.1. «Новые материалы и технологии», задание 03.02.02 «Исследование плазменной технологии и специализированного оборудования для оттаивания мерзлых грунтов»).Часть работы в 1991-1999 гг. выполнялась в рамках госбюджетного финансирования НИР по программам единого наряд- заказа Министерства общего и профессионального образования:
А) Тема «Разработка интенсивных плазменных технологий на основе сжатой трехфазной дуги переменного тока» -1991 - 1995 гг.
Б) Тема «Исследование устойчивости дуги переменного тока в плазмотронах сварочной техники» -1996-1999 гг.
По межвузовской научно-технической программе «Сварка» в 1993-1994 гт. выполнялся раздел исследования «Исследование теплофизических и гидродинамических процессов в сварочной ванне» в теме 04532.
По программе «Конверсия» в 1993-1996 гг. выполнялась тема «Разработка комплекса оборудования для сварки объемных тонкостенных конструкций из сплавов железа и алюминия в монтажных условиях электрозаклепками с местной газовой защитой».
Цель работы. Расширение технологических возможностей сжатой дуги путем разработки научных основ проектирования технологических процессов и оборудования для плазменной обработки алюминиевых сплавов трёхфазной дугой в среде аргона.
Основные результаты, которые выносятся на защиту: 1. Влияние основных параметров трёхфазной сжатой дути в среде аргопа на устойчивость се повторных зажиганий.
2. Методика расчёта энергетических характеристик сжатой дуги в среде аргона и обоснование преобладания охлаждающего действия плазмообразующего газа на столб дуги над сжимающим.
-
Количественный критерий устойчивости сжатой дуги в среде аргона по отношению к аварийному режиму двойного дугообразования и расчетно-эксперименталъный метод определения безаварийных режимов.
-
Экспериментально-аналитический метод определения приэлектродных падений напряжения на основе анализа напряжений дуг и уравнений баланса приэлектродных областей на прямой и обратной полярности при одинаковых режимах.
-
Методики расчета эффективной мощности и напряжения трехфазной сжатой дуги в среде аргона, установление причин разброса эффективного КПД сжатых дуг и методики экспериментально-аналитического определения параметров распределения теплового потока от сжатой дуга к изделию.
-
Общие закономерности саморегулирования сжатой дуги в технологических процессах и подход к автоматическому регулированию процессов обработки материалов сжатой дугой по математической модели.
Методы исследований.
В работе использовались методы теорий тепло- массоперепоса, скоростная киносъемка и фотосъемка дуги, осциллографирование линейных токов и фазных напряжений дуг трехфазного факела, калориметрирование тепловых характеристик дулі, измерение динамического напора плазменных струй с помощью методики стробирующего отверстия в изделии. Для определения параметров распределения теплового потока от дуги разрабатывалась специальная методика, основанная па совместном калоримстрировании эффективной мощности и анализе температурного поля от неподвижного источника тепла. Для определения падения напряжения в столбе дуги на закрытом участке разработана методика, основанная на замере потенциала сопла относ-тиельно электродов на прямой и обратной полярности. Теоретические исследования дифференциальных уравнений в частных производных проводились аналитически и численными методами с применением разработанных автором программ для ЭВМ. Сложные математические модели приводились в удобный для инженерной практики вид с помощью теории планирования эксперимента.
Научная повгопа работы заключается в том, что на основе нового вида сжатой сварочной дуги впервые предложена методология проведения и выполнения комплексных теоретических и экспериментальных исследований связи энергетических процессов, происходящих в сжатой дуге с ее технологическими характеристиками, на ее основе разработан комплекс математических моделей определения основных энергетических и технологических характеристик трехфазной сжатой дуги в зависимости от основных режимных параметров и предложены алгоритмы проектирования, оптимизации и автоматического регулирования технологических процессов обработки сжатой дугой.
В частности, решена проблема формирования и обеспечения устойчивости повторных зажиганий трехфазной сжатой дуги переменпого тока с высокой плотностью выделения энергии. На оспове исследования вентильного эффекта при горении зависимых дуг , обусловленного наличием в трехфазном факеле межэлектродной дуги, установлена ее ведущая роль в обеспечении повторных зажиганий. Обнаружен эффект повышения устойчивости повторных зажиганий зависимых дуг с увеличением расхода плазмообразующего аргона, вызваемый воздействием потока плазмообразующего газа на катодную область у изделия.
Предложен подход к решению нелинейного дифференциального уравнения баланса энергии столба дуги в канале плазмотрона, заключающийся в задании формы распределения плотности источников тепла, позволивший получить методики расчета основных энергетических характеристик сжатой дуги в аргоне. Установлено, что сечение изолирующей прослойки аргона составляет незначительную часть сечения канала сопла и получены зависимости толщины прослойки от режимов дуги. Показало, что преобладающую роль в повышении напряженности электрического поля с увеличением расхода плазмообразующего аргона играет снижение его среднемас-совой температуры. Толщина изолирующей прослойки является характеристикой электрической прочности но отношению к аварийному режиму двойного дугообразования.
Впервые показано, что количественным критерием опасности возникновения аварийного режима работы плазмотрона является средняя пробойная напряженность электрического поля в изолирующей прослойке, равная отношению падения напряжения в столбе дуги на закрытом участке к минимальной толщине изолирующей прослойки в конечном сечении сопла и уста-
новлены зависимости критерия от основных параметров сжатой дуги. На основе анализа аварийных режимов получены конкретные значения критерия, что позволило предложить экспериментально-расчетный метод определения безаварийных режимов.
На основе раздельного рассмотрения энергетических характеристик приэлектродных областей, закрытого и открытого участков столба сжатой дуги в среде аргона впервые разработаны методики расчёта эффективной мощности и напряжения дуги при обработке алюминиевых сплавов, а также определения параметров теплового потока от дуги к изделию в условиях, приближенных к условиям сварки. Также показано, что газокинетическое давление сжатой дуги преобладает по сравнению с другими составляющими ее силового воздействия и разработана методика расчета среднего газокинетического давления струи плазмообразующего аргона.
Обнаружено, что в раде процессов с использованием сжатых дуг имеет место явление саморегулирования технологических характеристик в системе " дуга- источник питания- изделие", определены общие признаки возможности саморегулирования системы и получен критерий полного статического саморегулирования.
Предложен новый способ и механизм образования электрозаклепочного сварного соединения тонких алюминиевых пластин трехфазной сжатой дугой, путем определения энергетических условий получения и устойчивого существоваїшя в ближнем свариваемом элементе сварочной ванны тороидальной формы и осуществления обратного перехода от тороидальной ванны к плоской на завершающей стадии процесса.
Обоснован подход к автоматическому регулированию процессов обработки сжатой дугой по математической модели обобщенного критерия регулирования, обусловленный ростом числа изменяющихся параметров режима, заключающийся в контроле за ними в ходе обработки, расчету регулируемого параметра и его установления. Практическая ценность
-установлено, что качестве дежурной дуги для зажигания сжатого трёхфазного факела следует использовать дугу между неплавящимися вольфрамовыми электродами плазмотрона, питаемую от рабочего источника питания и определены основные требования к источникам питания в зависимости от вида технологического процесса, разработана методика определения внешних характеристик трёхфазного источника питания и индуктивных сопротивлений в фазах электродов, обеспечивающих оптимальный коэффициент токов К,= 1,73;
- разработаны ряд конструкций двухэлектродных плазмотронов и методика определения их
основных конструктивных элементов, инженерная методика определения тепловой мощности,
отводимой в плазмотрон от столба дуги, позволяющая проектировать рациональную систему
охлаждения плазмотрона;
- разработаны и применены в промышленности технология и установки для плазменной резки алюминиевых сплавов с катодной очисткой поверхности реза с использованием кромок под сварку после резки без дополнительной подготовки;
- разработан новый эффективный технологический процесс сварки электрозаклепками трёх
фазной сжатой дугой тонкостенных алюминиевых конструкций с катодной очисткой поверх
ности нижнего сваривземого элемента;
получена устойчивая в отношении повторных зажиганий малоамперная трёхфазная сжатая цуга, разработаны источники питапия и плазмотроны для сварки малоамперной дугой, изучены ее основные энергетические и технологические характеристики;
на примере плазменной сварки электрозаклепками тоикостеиных алюминиевых элементов разработаны алгоритмы и программы решения прямой и обратной задачи компьютерного про-гктирования и оптимизации режимов сварки с использованием разработанных математических чоделей дуги.
Использование результатов:
Технологии и оборудование, разработанные на основе выполненных исследований, исполь-юваны в производственном объединении "Куйбышевазот"для ремонта алюминиевых аппаратов ю производству крепкой азотной кислоты, на Волжском автомобильном заводе для точечной :варки экспериментальных образцов алюминиевых кабин электромобилей, на ряде ремонтных предприятий агропромышленного комплекса Ставропольского района Самарской области, в /фимском управлении Самарского треста "Теплоизоляция" для крепления алюминиевых кожу-сов теплоизоляционных покрытий, пассажирском предприятии № 2 г. Тольятти, Дубненском машиностроительном заводе и ряде других предприятий, используются в учебном процессе іри подготовке студентов специальностей 12 05 00 и 12 Об 00 на кафедре "Оборудование и ехнология сварочного производства" Тольятпшского политехнического института. Акты вне-ірения на общую сумму экономического эффекта в размере 1260 тыс. рублей ( в масштабе цен ю 1992 г.) приведены в приложении к диссертации. Долевое участие автора в получении эко-юмического эффекта составило 75%.
Апробаппя работы. )сновные положения работы докладывались на Международных научно-технических конфе-іенциях: 1989 г. - Иваново; 1991 г. - Суздаль; 1993 г. -Ростов на Дону; С.-Петербург; 1995 г.-'амбов; 1996 г. - Мариуполь; Всесоюзных: 1982 г. - Ташкент; 1987 г. - Иваново; 1988 г. -Іермь; 1992 г. - Тольятти; Российских: 1995 г. - Пермь; 1996 г. — Рыбинск, Тула; іегиональньгх конференциях: 1986г., 1990 г. - Свердловск; 1989 г., 1992 г. - Рыбинск; 1996 г. -"ольятти; 1997 г. - Ижевск; Тольятти.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 80 печатных работ, в том числе олучено 22 авторских свидетельства на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, краткой характеристики аботы , восьми глав, списка литературы из 288 наименований. Содержит 399 страниц маншно-исного текста, включая 37 таблиц, 200 рисунков.