Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время являются важными и перспективными вопросы внедрения новых технологий, улучшения качества свар-шх и паяных соединений, повышения производительности труда в сово-супности с механизацией и автоматизацией производства при возможно меньших материальных и иных затратах и минимальном воздействии на жружающую среду.
Представляется вполне закономерным, что многие новые, обладаю-цие определенными достоинствами технологии развиваются на стыке со-ітветствующих и подходящих друг к другу процессов.
Среди тепловых источников известен способ нагрева токопроводящих (атериалов и, в частности, металлов в электролите, обладающий рядом реимуществ перед другими.
Для него характерны следующие параметры и особенности:
высокие скорости нагрева, достигающие 500...700 С/с,
наличие вокруг нагреваемой детали парогазовой оболочки, состоя-
щей преимущественно из водорода, - электроэрозионное воздействие микроразрядов
(до 6000...8000 1/см2с) на обрабатываемую поверхность,
- высокий градиент электрического потенциала у поверхности катода,
достигающий 105 В/см,
протекание навигационных процессов в прикатодной области,
высокая температура газовой оболочки вокруг катода, примерно
равная 7000...9000 С,
наличие эффекта очистки поверхности обрабатываемой детали,
простота регулирования скорости нагрева и некоторых других пара-
метров процесса изменением приложенного к рабочему узлу напряжения.
Тем не менее, этот обладающий рядом достоинств процесс практич ски не нашел применения в сварочных технологиях из-за первоначальн( ориентации электролитных технологий на операции нагрева, термообр ботки и очистки.
В последние годы наметилась тенденция перевода некоторых про* водств с крупных предприятий на мелкие (другой формы собственносїї переход на гибкое мелкосерийное изготовление сварных и паяных узле В этих условиях относительно несложные и недорогие электролитные уст новки, обладающие достаточно высокой универсальностью произво; тельностью и автоматизацией, обеспечивающие хорошее качество noj чаемой продукции, могут сыграть положительную роль.
Вместе с тем, анализ литературных источников выявил наличие суп ственных теоретических противоречий и пробелов в исследованиях проц са нагрева в электролите и сопутствующей ему очистки поверхности ка' да. Немногочисленны или совсем отсутствуют сведения о влиянии ТЄХНОІ гических параметров процесса на нагрев и очистку применительно к паї и сварке, наводороживание обрабатываемого металла. Нами не обнару: но исследований по растеканию припоев при нагреве в электролите и подъему в капилляре.
Цель работы. Исследование процесса и разработка теоретичесі и практических основ использования электролитных технологий в свар ном производстве.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертаци ной работы, включающие результаты расчетных и экспериментальных следований, практические рекомендации и технические разработки.
-
Расчетно-теоретическое обоснование квазиравновесности газо^ рядной плазмы в прикатодной области при нагреве в электролите.
-
Методики исследования некоторых параметров процесса нагрева электролите с точки зрения его применения к сварочным технологиям.
3. Результаты экспериментальных исследований по влиянию технологических параметров процесса на нагрев и очистку поверхности катода.
-
Эффект аномального течения процесса нагрева в электролите при малых глубинах погружения катода в электролит.
-
Впервые проведенные исследования растекания припоев по сталям и их затеканию в капилляр при электролитном нагреве в сравнении с другими способами нагрева.
-
Результаты экспериментальных исследований по наводороживанию "варочной проволоки при ее очистке в электролите и динамике выхода водорода из нее.
-
Теоретическое обобщение и результаты экспериментальных исследований по определению возможностей применения процессов очистки л нагрева в электролите в сварочных технологиях.
-
Новые технические решения, позволяющие расширить ряд технологических возможностей сварки и пайки, повысить качество и производительность этих процессов, уменьшить затраты при изготовлении сварных і паяных изделий при мелкосерийном производстве.
Методы исследований. Теоретический анализ основных факторов электролитного процесса, определяющих его необходимое течение и пригодность для сварочных технологий, проводился на основе современных іредставлений теории сварочных процессов, теории дуговых разрядов, фи-1ики, химии, металлургии и смежных наук.
Наряду с классическими методами исследований применен рад ориги-{альных методик. К ним можно отнести специально разработанные уста-ювку и технологию киносъемки прикатодной области для определения ее 'олщины в зависимости от ряда факторов, устройства для отбора проб га-а из прикатодной области, установки для исследования влияния техноло-ических параметров процесса на нагрев и очистку катода.
При обработке результатов исследований использовалась современная вычислительная техника, широко распространенные проверенные методики, стандартные статистические программы.
Научная новизна основных результатов, полученных автором в ходе решения поставленной проблемы, проявилась в следующих научных достижениях и разработках:
- впервые исследованы особенности нагрева катода в электролит*
и очистки его поверхности с точки зрения применения процесса в свароч
ных технологиях, определены его основные характеристики и место в ряд}
источников теплоты;
расчетным путем установлено, что время достижения равновесия ш различным параметрам в парогазовом слое около катода значительні меньше (на 4...5 порядков) времени существования одиночного разряда следовательно, состояние газоразрядной плазмы в парогазовом слое окол< катода можно считать квазиравновесным;
установлено, что прикатодная область состоит преимущественно и водорода, а также может содержать до 20% водяного пара. Эти компонек ты, будучи в ионизированном состоянии вследствие высокой температурі в прикатодной области, обеспечивают защиту поверхности катода от окш ления. Давления газов в прикатодной области достаточно для эффектш ной защиты катода от атмосферного воздуха;
выявлена аномалия процесса нагрева в электролите при малых пг бинах погружения детали в электролит, проявляющаяся в резком снижени ее скорости нагрева и температуры, вплоть до срыва процесса;
установлено, что основным фактором, оказывающим сильное во действие на скорость нагрева и температуру образца, является рабочее н; пряжение, которое и следует использовать в качестве регулирующего пар метра. Определены допуски на точность поддержания отдельных параме ров процесса для обеспечения требуемых пределов в отклонениях по скор сти нагрева и конечной температуре детали для различных операций;
- предложена характеристика "массоплощадь" детали, оказывающая существенное влияние на скорость нагрева и конечную температуру детали, определены соответствующие зависимости, позволяющие упростить выбор режимов нагрева деталей и узлов различного типа;
установлено, что в процессе обработки металла в электролите имеет место наводороживание его поверхностного слоя с последующим выходом водорода в течение определенного времени в атмосферу. Это следует учитывать в соответствующих технологиях и при использовании сварочной проволоки, прошедшей очистку в электролите;
установлено, что растекание оловянно-свинцовых припоев и припоев на основе меди по низко- и среднеуглеродистым сталям при нагреве в электролите находится примерно на одном уровне с растекаемостью при нагре-зе в печи, газовым пламенем и ТВЧ. При пайке в электролите инструментальных сталей, сталей типа 65Г, 5ХВ2С и подобных имеет место достаточно хорошее смачивание их припоями на основе меди;
определено, что затекание припоев в зазор при нагреве в электролите «сколько хуже, чем при нагреве другими способами, однако является достаточным для проведения качественной пайки широкой группы сталей;
на основании экспериментальных исследований и теоретического эбобщения определена возможность применения электролитных технологій в сварочном производстве. Процесс нагрева в электролите для свароч-1ых технологий является универсальным, позволяющим на одном и том же >борудовании с минимальными переналадками производить очистку дета-іей, пайку, пайкосварку, стыковую сварку, удаление грата, термообработ-;у. Электролитная технология занимает промежуточное место между руч-1ым газовым нагревом мелких серий деталей и полуавтоматическим изго-овлением крупных серий узлов высокоэффективными способами нагрева например, ТВЧ, в печах и т.п.). Установки для сварки и пайки в электро-мте преимущественно изделий стержневого типа предназначены для экс-игуатации в условиях небольших заводов, отдельных цехов, ремонтных частков, механических мастерских.
Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях теории сварочных процессов, физически обоснованной постановке и корректности решения поставленных задач сопоставлении их результатов с экспериментальными исследованиям!: и данными других авторов, внедрением в промышленности.
Практическая ценность. Экспериментальное исследование процесса нагрева и очистки в электролите и полученные теоретические данные яви лись основой для следующих практических результатов:
разработан расчетно-аналитический метод и построены номограм мы, позволяющие произвести выбор режимов нагрева в электролите дли пайки, сварки, удаления грата;
разработан узел нагрева с разделительным экраном для нагрева изде лий стержневого типа, свободный от многих недостатков существующи: узлов подобного назначения и другие специальные системы и узлы элек тролитных установок, обеспечивающие соответствующее течение процесс и утилизацию отходов;
разработана технология стыковой сварки стержней из низкоуглеро дистых сталей и некоторых типов инструментальных сталей в электролите обеспечивающая получение качественных сварных соединений;
разработана технология удаления грата после стыковой сварки низко- и среднеуглеродистых сталей в электролите с использованием двух схем обработки: ванной испреерной;
спроектирован технологический процесс, разработана и внедрена от носительно простая и недорогая промышленная полуавтоматическая уел новка для различных вариантов пайки в электролите изделий стержневог типа из низко- и среднеуглеродистых сталей и их сочетаний с некоторым инструментальными сталями с использованием трехступенчатого нагрева:
разработана и внедрена промышленная установка для очистки ев; рочной проволоки в электролите со специальными рабочими камерами "t встречных потоках", отличающаяся относительной простотой конструї
щи и невысокой стоимостью, свободная от многих недостатков сущест-/ющих механических установок аналогичного применения;
- разработаны специализированные источники питания для каждого
та электролитной технологии, позволяющие реализовать с оптимальной
|}фективностью каждую из них.
Реализация результатов работы. Разработанные на базе теоретических экспериментальных исследований промышленные технологии и установ-г внедрены на следующих предприятиях:
АО "Новолипецкий металлургический комбинат", технология ц обоснование для очистки сварочной проволоки перед наплавкой валков про-ітньїх станов;
АО "Липецкий тракторный завод", технология и оборудование для айки трубопроводов в электролите, очистки сварочной проволоки в элек-эолите;
АООТ "Чаплыгинский завод агрегатов", технология и оборудование гя пайки трубопроводов, сверл, закалки игл фильтра в электролите;
АООТ "Елецкий машиностроительный завод", технология и обору-эвание для пайки инструмента в электролите, очистки сварочной провозки в электролите;
АО "Липецкий опытно-промышленный завод ГИДРОМАШ", техно-эгия и оборудование для очистки сварочной проволоки в электролите.
Суммарный экономический эффект от внедрения указанных техноло-ш и оборудования на этих предприятиях составил 1307 млн. рублей в це-IX 1997 года.
Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс ЛГТУ эй чтении курсов лекций и в курсовом и дипломном проектировании для іециальности "Металлургия сварочного производства".
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации >гли доложены и обсуждены на следующих научно-технических конферен-іях, совещаниях и семинарах: VIII всесоюзная научно-производственная
конференция по электрофизическим и электрохимическим методам обработки "Эльфа-77" (г. Ленинград, 1977), региональная научно-техническа* конференция по электролитным технологиям "Перспектива-78" (г. Рубцовск, 1978), научно-техническая конференция "Пути повышения эффективности процессов сварки и наплавки" (г. Липецк, 1987), семинар-совеща ние "Повышение эффективности сварочных работ" (г. Липецк, 1989), науч но-техническая конференция "Повышение эффективности сварочных ра бот" (г. Липецк, 1990), научно-техническая конференция "Повышение эф фективности металлургического производства" (г. Липецк, 1992), 4-я обла стная научно-техническая конференция "Повышение эффективности метал лургического производства" (г. Липецк, 1995), 5-я областная научно-техни ческая конференция "Повышение эффективности металлургического про изводства" (г. Липецк, 1996), международная конференция "Повышение эф фективности сварочного производства" (г. Липецк, 1996), региональная на учно-техническая конференция "Проблемы экологии и экологической безо пасности Центрального Черноземья" (г. Липецк, 1996), всероссийская науч но-техническая конференция, посвященная 40-летию ЛІТУ (г. Липещ 1996), международный экологический конгресс (г. Воронеж, 1996), всеро< сийская научно-техническая конференция "Современные проблемы сваро* ной науки и техники" (г. Воронеж, 1997), всероссийская научно-производ ственная конференция "Восстановление и упрочнение деталей - совреме* ный эффективный способ повышения надежности машин" (г. Москві 1997), научно-производственная конференция "Пути развития сварочны технологий на предприятиях города Москвы" (г. Москва, 1997).
Кроме того, материалы диссертационной работы доложены и обе; ждены на научных семинарах кафедры "Сварочное производство" ЛГТ (г. Липецк), кафедры "Теория и технология сварки" СПбГТУ (г. Санкт-П тербург).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубли-ованы в 37 научных трудах (в том числе 1 патент и 2 свидетельства) и мо-гографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти лав, общих выводов, списка литературы из 214 наименований и приложе-[ий. Работа изложена на 307 страницах машинописного текста, включая 84 іисунка и 11 таблиц.