Введение к работе
Актуальность работы. Исследования дугового разряда как физического явления проводились многими российскими и зарубежными физиками: И.Г. Кесаевым, В.Ф. Гордеевым, А.В. Пустогаровым, A.M. Дородновым, Н.П. Козловым, Я.А. Поме-ловым, М.Ф. Жуковым, П.А. Шоексм, A.D. Morris, W.C. Cere и др. Этими же вопросами применительно к сварочным процессам занимались ПИ. Лесков, B.C. Гвоздсцкий, А.Н. Тимошенко, К.К. Хренов, Г.М. Тиходеев. Проблемам повышения качества сварных соединений посвящены многочисленные работы российских ученых: В.Н. Вол-ченко, Н.П. Алешина, А.К. Гурвича и др. Дуговому разряду постоянного и переменного тока с неплавящимся электродом и применением его для сварки в инертных газах посвящены работы О.Н. Ивановой, Д.М. Рабкина, В.М. Ямпольского, W.F. Savage, S.S. Strunck, V. Nishikava и др.
Проведенные раннее системные исследования по нагреву и стойкости вольфрамовых электродов на переменном токе выполнены в основном с применением в качестве источников питания трансформаторов, обеспечивающих горение дуги переменного тока с близкой к синусоидальной кривой его изменения. Частота последнего составляет 50 Гц при равных длительности и амплитуде импульсов тока прямой и обратной полярности.
Работами А.Я. Ищенко, А.Г. Покляцкого, М.Р. Яворской, А.Г. Чаюна и др. показано, что наиболее эффективным способом воздействия, как на работоспособность неплавящихся электродов, так и на технологические свойства дуги при сварке на переменном токе является применение источников питания переменного тока с прямоугольной кривой его изменения, позволяющих раздельно регулировать длительность и амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности.
В последнее время созданы и начали применяться для сварки алюминия ин-верторные источники питания дуги переменного тока с прямоугольной кривой его изменения и возможностью регулирования длительности импульсов прямой и обратной полярности. В большинстве случаев эти источники питания не позволяют раздельно изменять амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности. Направленное же изменение этих параметров позволяет в широких пределах воздействовать на проплавляющую способность дуги, качество катодной очистки и, в конечном итоге, на производительность и качество сварки.
Очевидно, что изменение соотношения импульсов и амплитуды тока прямой и обратной полярности будет приводить к изменению величины теплового потока в неплавящийся электрод и, как следствие, его стойкости. Прогнозирование таких из-, менений необходимо для правильного выбора электрода и оптимального варианта его применения, что обуславливает необходимость исследования условий работы неплавящихся электродов и поиск путей приведения их к оптимальным при сезрг.е алюминия с применением инверторных источников питания. Актуальность этих исследований обусловлена все более широким применением источников питания ин-верторного типа при дуговой сварке цветных металлов.
Цель работы. Целью работы является повышение работоспособности неплавящихся электродов с дугой переменного тока прямоугольной формы на основе ис-зледования их теплового состояния и разработка рекомендаций по эффективному применению их при сварке алюминия и его сплавов.
На защиту выносятся: 1. Новая конструкция источника питания дуги переменного тока прямоугольной формы, обеспечивающая возможность регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности. 2. Методика оценки теплового состояния неплавящихся электродов.
-
Результаты исследований влияния амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности на тепловой баланс и работоспособность неплавящихся электродов.
-
Результаты исследований влияния конструкции рабочего участка неплавящихся электродов на их работоспособность при сварке дугой переменного тока прямоугольной формы.
-
Рекомендации по выбору неплавящихся электродов для сварки алюминия и его сплавов дугой переменного тока прямоугольной формы и повышению их работоспособности.
-
Технология сварки конструкций из алюминия разнополярными прямоугольными импульсами тока.
Достоверность результатов проведенных исследований, объекты и методы исследования. Объектом исследования являлись неплавящиеся электроды, в качестве которых применялись прутки диаметром от 2 до 5 мм из технически чистого вольфрама (ЭВЧ), вольфрама с оксидами лантана (ЭВЛ) и иттрия (ЭВИ), рабочий участок которых затачивали на полусферу и на конус, а также композиционные электроды и полые катоды. Основные задачи решались расчетными и экспериментальными методами. Достоверность выполненных в работе исследований базируется на применении современных высокоточных методов и средств измерений, а также на использовании математических и статистических методов обработки результатов экспериментов с помощью ЭВМ и соответствующего стандартного программного обеспечения. Достоверность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью всех основных положений другими исследователями и непротиворечивостью полученных результатов существующим представлениям о физических процессах в дуговом разряде постоянного и переменного тока с неплавящимся электродом.
Научная новизна работы. Установлено, что тепловой баланс неплавящегося электрода зависит от соотношения длительностей и амплитуд импульсов тока прямой и обратной полярности. Впервые показано, что при относительной длительности импульсов тока обратной полярности, не превышающей 0,125 - 0,25 от времени периода, тепловые условия работы и стойкость неплавящихся электродов соответствуют таковым при сварке на постоянном токе прямой полярности, что позволяет повысить эффективность применения их для сварки дугой переменного тока.
Установлено, что с увеличением относительной длительности горения дуги на обратной полярности, напряжение дуги в импульсах прямой полярности уменьшается, что сказывается на изменении мощности дуги и погонной энергии при сварке.
Впервые показано, что при относительной длительности импульсов тока прямой полярности, составляющей не менее 0,6 от времени периода, возможно получение эффекта "полого катода", что позволяет расширить технологические возможности дуги переменного тока с неплавящимся электродом.
Практическая ценность. Разработан источник питания для сварки алюминия и его сплавов на переменном токе прямоугольной формы, обеспечивающий возможность независимого регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности (патент РФ № 2135336).
Разработаны рекомендации и компьютерная программа по выбору неплавящихся электродов для аргонодуговой сварки алюминия и его сплавов асимметричными разнополярными импульсами тока прямоугольной формы, позволяющие повысить их работоспособность и эффективность применения. Полученные рекомендации использовались при создании технологий сварки конструкций из алюминия и его сплавов на ЗАО ПКК «Славянка» и Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационного исследования составил 268 тыс. руб. Доля автора в указанных разработках составила 20%.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин», 1996г., г. Волгоград; на российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники «Сзарка - 97», 1997г., г. Воронеж; на научно-технической конференции «Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении», 1997г., г. Пенза; на !!! и IV межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области, 1997, 1998г.г., г. Волгоград, на всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 98», 1998г., г. Москва; на научных семинарах кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ВолгГТУ, г. Волгоград.
По результатам научно-исследовательской работы в 1998г. соискателю присуждалась аспирантская стипендия Президента Российской Федерации.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 13 печатных работ, получен патент Российской Федерации. Все основные положения, выносимые на защиту, изложены в центральных российских изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 169 листах машинописного текста, содержит 100 рисунков и 25 таблиц. Список литературы содержит 88 наименований.