Введение к работе
с-?
Актуальность работы. Повышение эффективности производства, в свете программных документов правительства РФ, является важной научно-технической задачей. В связи с этим решение проблемы повышения производительности сварки является актуальным. Одним из перспективных направлений решения данной задачи является совершенствование существующих технологических процессов сварки.
Развитие строительной индустрии и машиностроения характеризуется широким использованием сварных металлоконструкций из низколегированных сталей, которые имеют значительный объем выполнения стыковых сварных соединений большой протяженности, когда трудоемкость сварочных работ превышает, либо соизмерима с трудоемкостью остальных видов работ.
Производительность однопроходной дуговой сварки стыковых соединений без разделки кромок, как показано в работах Н.Н. Рыкалина, определяется скоростью сварки, величиной погонной энергии, термическим К.П.Д. и коэффициентом формы шва. Вместе с этим, для обеспечения требуемого качества таких соединений возникают определенные ограничения по величине погонной энергии. Эти ограничения связаны:
1) со склонностью сталей к образованию закалочных структур и холодных
трещин при уменьшении погонной энергии;
2) со склонностью к образованию кристаллизационных трещин при
увеличении погонной энергии. С другой стороны, увеличение скорости сварки
при сохранении оптимальной величины погонной энергии ограничено
нарушением геометрического подобия сварочной ванны, которое, как показано
в работах А.И. Акулова, характеризуется непропорциональным ростом глубины
проплавлення по отношению к ширине шва, наличием подрезов и
несплавлений. Это приводит к снижению статической и динамической
прочности сварного шва, а также снижению стойкости к образованию
кристаллизационных трещин.
Таким образом, повысить производительность однопроходной сварки стыковых соединений за счет форсирования режимов, без нарушения; геометрического подобия формы шва, а следовательно и без ухудшения служебных свойств сварного шва невозможно. Исходя из вышеизложенного, повысить производительность возможно за счет увеличения скорости сварки с одновременным увеличением тепловой мощности дуги, чтобы погонная энергия оставалась неизменной. При этом необходимо разрабатывать такие технологические приемы, которые позволили бы сохранить геометрическое подобие формы шва на форсированных режимах сварки.
В последние годы наметился способ повышения производительности
дуговой сварки и наплавки с использованием внешнего магнитного поля,
которое привлекает простотой технического исполнения и возможностью
бесконтактно влиять на процессы в зоне сварки. Теоретические и
технологические основы данного направлендй„были разработаны А.М.
» ОЭ *» **/>'
Болдыревым, В.П. Чернышом, Ф. Эстнитцером, В.А. Биржевым и др. При этом было показано, что создание в зоне сварки переменного (50Гц) аксиального магнитного поля позволяет в широких пределах управлять формой проплавлення.
Вместе с тем, анализ литературных данных показал, что исследования возможностей повышения производительности однопроходной сварки стыковых соединений с помощью переменного (50 Гц) аксиального магнитного поля недостаточны и носят в своей основе гипотетический характер. Так, отсутствуют сведения о влиянии гидродинамических потоков расплава сварочной ванны при наложении аксиального переменного магнитного поля на форму проплавлення. Отсутствует методика определения оптимальных режимов сварки при наложении аксиального магнитного поля промышленной частоты.
Пель работы. Повышение производительности дуговой автоматической однопроходной сварки с использованием аксиального переменного (50 Гц) магнитного поля на основе исследования влияния магнитного поля на характеристики плавления металла изделия.
Ддя достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ сил, действующих на расплав сварочной ванны при сварке в аксиальном магнитном поле промышленной частоты;
разработать методику определения скоростей расплава в сварочной ванне и исследовать влияние переменного (50 Гц) аксиального магнитного поля на гидродинамику сварочной ванны;
разработать расчетную модель, позволяющую по заданным параметрам режима сварки рассчитывать величину индукции аксиального переменного (50 Гц) магнитного поля, соответствующую заданной глубине проплавлення.
разработать методику определения оптимальных режимов электромагнитной обработки сварочной ванны;
разработать технологию высокопроизводительной однопроходной автоматической сварки под флюсом протяженных швов стыковых соединений из низколегированных сталей с использованием аксиального переменного (50 Гц) магнитного поля и провести практическую проверку ее эффективности.
Научная новизна. 1. На основе теоретического анализа получено аналитическое выражение для расчета электромагнитного индукционного давления на расплав сварочной ванны при сварке в переменном (50 Гц) аксиальном магнитном поле от величины радиальной составляющей магнитного поля и магнитной проницаемости расплава. На основе экспериментальных исследований распределения радиальной составляющей индукции магнитного поля по поверхности сварочной ванны показано, что основная часть электромагнитного индукционного давления приходится на расплав хвостовой части сварочной ванны. Следствием такого эффекта является торможение потоков расплава,
увеличение толщины жидкой прослойки под дугой, приводящее к снижению эффективности проплавлення металла.
На основе разработанной методики получены новые данные о величине и характере распределения скоростей потоков расплава под действием переменного (50 Гц) аксиального магнитного поля при аргонно-дуговой сварке неплавящимся электродом. Показано, что при наложении переменного (50 Гц) аксиального магнитного поля скорость потоков расплава на оси сварочной ванны уменьшается в среднем в 2,2 раза в диапазоне индукций 0-0,08 Тл.
На основе теоретического анализа сил действующих на расплав сварочной ванны при наложении переменного (50Гц) аксиального магнитного поля и экспериментальных исследований влияния аксиального переменного (50 Гц) магнитного поля на гидродинамику сварочной ванны и форму шва установлена аналитическая и эмпирическая зависимости геометрических параметров сварного шва от параметров режима сварки, электромагнитной обработки и гидродинамики сварочной ванны. На, основе этих зависимостей показано и экспериментально подтверждено, что при наложении переменного (50 Гц) аксиального магнитного поля коэффициент формы шва увеличивается (за счет уменьшения глубины проплавлення) в 3-8 раз (в зависимости от способа сварки, диаметра электрода, скорости сварки, силы и полярности сварочного тока) в диапазоне индукций 0-0,1 Тл. Это позволяет значительно расширить границы используемых при дуговой сварке токов и скоростей сварки, обеспечивающих бездефектное формирование сварного шва.
С использованием полученных аналитического и эмпирического выражений разработана расчетно-аналитическая методика определения оптимального режима электромагнитной обработки, который обеспечивает требуемое геометрическое подобие сварного шва на форсированных режимах сварки.
5. Получены новые данные о влиянии переменного (50 Гц) аксиального
магнитного поля на механические свойства, химический состав, макро- и
микроструктуру сварного шва, которые показывают, что служебные свойства
сварных швов, выполненных по новой технологии с использованием
магнитного поля, не хуже служебных свойств сварных швов, выполненных по
обычной технологии.
Практическая ценность работы.
Разработана" методика определения скорости движения расплава в реальной сварочной ванне, позволяющая определять скорость движения расплава сварочной ванны в любой точке хвостовой части сварочной ванны. Изображение поверхности расплава сварочной ванны, спроецированное через оптоволоконные преобразователи на экране прибора ОКС-ЗМ фиксируется аналоговой видеокамерой, после чего оцифровывается для компьютерного анализа. При реализации данной методики индикация движения расплава сварочной ванны осуществляется посредством наблюдения за движением газовых пузырьков на его поверхности, появляющихся вследствие естественной дегазации сварочной ванны.
Разработана технология дуговой однопроходной автоматической сварки под флюсом конструкционных низколегированных сталей в аксиальном переменном магнитном поле промышленной частоты, обеспечивающая повышение производительности в 1,7-2 раза.
Разработано оборудование к стандартным сварочным автоматам и навесным сварочным головкам для создания в зоне сварки переменного (50 Гц) аксиального магнитного поля.
Новая технология внедрена в Воронежском филиале АП ЦНИИОМТП при изготовлении конструкций с протяженными швами.
Методы исследований. Теоретический анализ основных факторов, определяющих производительность дуговой автоматической сварки, а также теоретические исследования влияния аксиального магнитного поля промышленной частоты на форму проплавлення проводились на основе современных сведений из теории сварочных процессов, магнитной гидро- и газодинамики.
Влияние аксиального магнитного поля промышленной частоты на гидродинамику сварочной ванны оценивали на основе экспериментальных исследований с применением специально разработанной методики, сочетающей _ использование современного прибора визуально-оптического контроля высокоэнергетических процессов - ОКС-ЗМ и современных компьютерных технологий обработки изображения, базирующихся на программных приложениях- Adobe Premiere и Adobe Photoshop.
Статистическую обработку экспериментальных значений индукционного давления, скоростей движения потоков расплава, глубины проплавлення и коэффициента формы шва проводили на основе регрессионного анализа методом наименьших квадратов.
Сравнительную оценку структуры, твердости (на приборе марки ТАК КАК-8), микротвердости (на приборе ГТМТ-3) металла шва и околошовной зоны, механических свойств металла при статическом растяжении (на установке Р-5), усталостную прочность сварных соединений (на машине МУП-50 при частоте нагружения 10 Гц, на базе 2-10 циклов и коэффициенте асимметрии цикла 0,25) определяли для стали 15ХСНД по стандартным методикам.
Распределение легирующих элементов по зонам сварного соединения определяли для стали 15ХСНД методом микрорентгеноспектрального анализа на установке МАР-2.
Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на:
региональной научно-технической конференции, посвященной 25-летию кафедры сварки ВГТУ (Воронеж, 1998);
всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Сварка и контроль - 2001» (Воронеж, 2001);
VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении - 2003» (Пенза, 2003)
Публикации. Основное содегжание^ диссертации опубликовано в семи
печатных работах. .лзомютешє м
Объем и структура работы^^^серт^цвд,^остоит из введения, 4-х глав, основных выводов по работе, списк^лщ^атуры и приложений. Работа содержит 142 страницы машинописного текста, 14 таблиц, 49 рисунков.
