Исследование процесса плазменной сварки алюминиевых сплавов на постоянном токе обратной полярности. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Беляев, В. М.

• Беляев, В. М.
• 1972

Оглавление диссертации Беляев, В. М.

ГРП ЕРШЛ?

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

§ 1» Эффект катодного распыления при /сварке алюминиевых сплавов*. *

§ 2. Работа электродов при сварке алюминиевых сплевов. * *. ^.

§ 3. Характеристика способов плазменной сварки алюминиевых сплавов.«*.*.

Глава П. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

§ 1. Методика тепловых измерений,,.

§ 2* Методика исследований энергетических характеристик плазменной дуги обратной полярности*.

§ 3» Методика исследований анодов.^

§ 4. Методика технологических исследований. 35"

§ 5. Плазмотрон для экспериментальных исследований. *. . &

Глава Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ ПРИ СВАРКЕ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

§ 1. Исследование теплового баланса плазменной дуги.4/ а) тепловой баланс на катоде*. б) катодное падение напряжения*.^

§ 2. Количественные сотношения теплового баланса дуги.

§ 3* Влияние состава плазмообразующего и защитного газов на энергетическую эффективность процесса сварки.

§ 4. Исследование тепловых потоков, поступающих в сопло и анод плазматрона при применении импульсного тока обратной полярности.£

Глава 1 У. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЕЦЕВНХ АНОДОВ

ПЛАЗМАТРОНА

§ 1. Способ изготовления двухслойного анода "вольфрам-медь".

§ 2. Тепловой расчет анода и его . экспериментальная проверка.

§ 3. Исследование анодов с активной поверхностью, выполненной из различных материалов. ^ а) Тепловой баланс для анода.St б) Анодное падение напряжения. в) Исследование тепловых потоков, поступающих в аноды.».*. г) Воздействие дуги на анод.

Глава У. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ

§ 1. Особенности формирования швов при плазменной сварке на постоянном токе обратной полярности.;.ЮЬ

§ 2. Влияние состава плазмообразующего и защитного газов на эффективность процесса плазменной сварки алюминиевых сплавов.JH

§ 3. Исследование некоторых факторов, способствующих повышению концентрации эффективной тепловой мощности.^

§ 4. Технологий' и режимы плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности применительно ж изготовлению алюминиевых конструкций в судостроении.*.us

ВЫВОДЫ ДО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ * .т

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса плазменной сварки алюминиевых сплавов на постоянном токе обратной полярности.»

Построение материально-технической базы коммунизма в эпоху научно-технической революции характеризуется бурным развитием всех отраслей промышленности, высокими темпами повышения производительности труда. В этот период наука становится непосредственной производительной силой, определяющей темпы развития народного хозяйства. В годы текущей пятилетки намечено дальнейшее увеличение выпуска сварных конструкций, разработка новых типов сварочного оборудования, новых технологических процессов сварки.

Директивами ХХ1У съезда КГЮС предусматривается увеличение выпуска полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в 19711975 гг. на 50-60%. Поскольку значительная часть алюминиевых сплавов предназначена для изготовления сварных конструкций, то в этих условиях важное значение приобретают исследования, направленные на разработку новых способов сварки алюминиевых сплавов и нового сварочного оборудования, имеющих, положительные качественные отличия от существующих,

В настоящее время имеется обширный материал по различным способам дуговой сварки алюминиевых сплавов как плавящимся, так и неплавящимся электродами. Повышение производительности и качества сварки обуславливает необходимость применения высококонцентрированных источников тепла. К таким источникам относится и плазменная дуга. Поэтому в по

- 2 ~ следнев время получили распространение способы плазменной сварки.

Специфические особенности процесса сварки алюминиевых сплавов требуют применения переменного тока или постоянного тока обратной полярности.

Исследования процесса плазменной сварки, проведенные в Институте Электросварки им. Е.О.Патона, показали его более высокую эффективность, чем при сварке неплавящимся электродом свободной дугой и подтвердили возможность применения методов плазменной сварки алюминиевых сплавов.

Проблема получения высококачественных сварных соединений из алюминиевых, сплавов любой толщины в настоящее время является актуальной. Для получения металла шва равнопрочного с основным металлом необходимо ликвидировать в шве такие дефекты как поры, различные включения, несплавления. Одной из причин вызывающих возникновение дефектов является загрязнение поверхности основного металла окисны-ми включениями.

В некоторых источниках упоминается о необходимости при менения плазменной сварки на обратной полярности. Зто обосновывается возможностью получения более качественного сварного соединения, ввиду интенсивной "катодной очистки". Так как плазменная дуга является источником тепла, наиболее важные параметры которого (концентрация, мощность) могут легко и более точно регулироваться, чем параметры свободной дуги, представляется, возможность разработки универсального процесса сварки, позволяющего соединять элементы широкой гамме толщины (миллиметры-десятки миллиметров)» Использования парка серийных источников питания постоянного тока и существующих схем сварочных установок могут быть осуществлены при применении процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности, что имеет большое экономическое значение. Разработка процесса плазменной сварки на токе обратной полярности позволяет осуществить также возможность создания универсальных сварочных установок, работающих на прямой и обратной полярности, что создает условия их более полной загрузки.

Однако способ плазменной сварки алюминиевых споавов на постоянном токе обратной полярности практически не применяется. Это объясняется тем, что отсутствуют данные исследований, необходимые для рациональной разработки сварочного оборудования^ работающего на обратной полярности, и не имеется достаточных данных по энергетическим и технологическим характеристикам процесса плазменной сварки на токе обратной полярности.

В данной диссертационной работе проведены исследования процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности.

Целью данных, исследований является разработка способа плазменной сварки и оборудования, позволяющих производить качественную сварку алюминиевых сплавов широкого диапазона толщин. еJ

- 4

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Беляев, В. М.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ

Разработана методика проведения экспериментов по исследованию энергетических характеристик плазменной дуги; анодов, работающих в качестве электродов плазмотронов; технологических исследований процесса плазменной сварки.

Показаны основные требования, которым должен удовлетворять плазмотрон, работающий на обратной полярности.

Получены количественные соотношения тепла, поступающего в различные области плазменной дуги в зависимости от параметров ее горения*

Установлено, что при равных токах эффективная тепловая мощность плазменной дуги на токе обратной полярности выше на 1В-Ы% таковой на прямой полярности. Эффективный к*п.д* нагрева находится в пределах 48-69$. Отношение тепловой мощности, выделяемой в свариваемом изделии к сварочному току, составляет величину 19-2Cv*

Установлено значительное влияние эмиссионных свойств основного металла или химических, соединений на его поверхности на эффективную тепловую мощность, поскольку по данным измерений в области катодного падения напряжения выделяется до Ъ0% всей тепловой мощностиг поступающей в изделие.

Показана первостепенная роль применения газов, повышающих катодное падение напряжения.

Установлена область применения импульсного тока в плазмотронах, работающих на обратной полярности.

Разработана технология получения двухслойных анодов "вольфрам-медь". Произведенный тепловой расчет двухслойного анода дает принципы разработки двухслойных анодов для работы на максимальных, токах;

На основании исследований анодов с различными материалами активной поверхности установлено, что исследуемые материалы- по степени их воздействия на тепловые потоки располагаются в порядке, определяемом работой выхода электронов для материала анода и плотностью тока на аноде* Показано, что наиболее высокую стойкость при прочих равных условиях имеет анод с активной поверхностью, выполненной ив материа- ; ла, обеспечивающего наименьшую анодную плотность тока.

Разработаны аноды и плазмотроны, позволяющие производить плавменную сварку на токах до 500а.

Показано влияние эмиссионных свойств основного металла, химических соединений на его поверхности и различных включений на стабильность горения плазменной дуги и формирование швов.

Установлено, что эффективность применения гелия в составе плазмообразующего газа (при отношении аргона к гелию в смеси 1:0,5 до 1:2,5) объясняется его положительным вовдей- j стЕием на пространственную стабилизацию столба дуги при .j плотности тока в канале сопла меньше ее номинального зна- f чения.

Показано, что роль гелия в составе защитного газа (в количестве 35-50%) заключается не только в увелшчении проплавляющей способности дуги, но и в стабилизации открытого ; ю - т л * участка столба дуги при сварке толстого металла.

Установлены факторы, повышающие концентрацию эффективной тепловой мощности*

Показана взаимосвязь между шириной зоны катодного рас пыления и проплавляющей способности дуги. Показана деле сообразность применения импульсного тока на обратной полярности для локализации катодное области.

Впервые доказана возможность применения плазменной сварки алюминиевых сплавов больших толщин и разработана технология сварки, обеспечивающая получение качественных сварных соединений для металла толщиной от 5 до 20 мм.

На основании результатов исследований разработаны сварочные установки для плазменной сварки алюминиевых сплавов на токе обратной полярности.

Процесс плазменно* сварки на постоянной токе обратной полярности внедрен в производство для изготовления конструкций ответственного назначения. 1 79

Список литературы диссертационного исследования Беляев, В. М., 1972 год

1. АЛЕКИН Л.Е., МЙКАЕЛЯН В.Н. Влияние режима автоматическойсварки алюминия на пористость шва* "Сварочное производство", 1965,. » 6i

2. АЛЮМИНИЙ. Пер. с англ. М., Металлургиздат, 1972.

3. АКИШИН А.И* Ионная бомбардировка: в вакууме* М.-Л. Госэнергоиздат, 1963*4* АКУЛОВ А.И* К вопросу о падении напряжения в приэлек-тродшх областях сварочной дуги* "Автоматическая сварка", 1964, № 9.

4. БАГРЯЕСКИЙ К.В., ДОБРОТИНА 3*А., ХРЕНОВ К.К* Теория сварочных процессов* Изд-во Харьковского университета. Харьков, 1968i6* БЛОХ A.Pi Основы теплообмена иэлучением. Госэнергоиздат. М*-Л*, 1962.

5. БЕЛКИН Г.С* Испарение металла с электродов при импульсных токах. ЖТФ, т.28, 9, 1968.

6. БНХОВСКИЙ Д.Г. , 'КОСС В.А*, КОШКИНА. Г.С. К расчету максимально-допустимых тепловых потоков черех токопрово-дящие элементы. М., 1965*9. 8ег U-; Носке? 1/. Тбесгге ctes Jfooc/s/affs^-Zerfjc/iTuy/ А/о/и z1. Jozichanq^' go r S95&.

7. Q. Bus? Peacfcett, У. ^n/ref^uz^ . $)ie JSAand^erf desJnodesjaffes ifor? t/nd Зодеп-Рап^е #ei //ос/, -/e/r?joe?aii/^3oQen ^ci/icfivij-t; Ju? PpySiX '' 3d, ms'.

8. X4. Biio J. On -ihe emission dependence of -/he са/боф /off. f JJcia /ec/rn. Jcod. se<ег/t fany " 6z, v3-й, s96&.я

9. БРИЧКИН А.В., БОЛОТОВ А.В., БОРИСОВА Т.В. й динамикеэлектродных пятен электрической дуги. ЖГФ, 1966, №7.

10. ББХОВСКИЙ Д.Г., -КОСС В.А., Некоторые вопросы функционирования катодов в химически активных средах. "Сварочное производство", 1968, № 6*

11. БЕЛЬЧУК Г.А., ГАТОВСКИЙ К.М*, КОХ Б.А., МАЦКЕВИЧ В*Д*

12. Сварка судовых конструкций. Л., Судостроение, 1971.

13. БЕЛЬЧУК Г.А., МАЦКЕВИЧ В.Д. Сварка в судостроении. Судостроение* Л., 1961.19* КАБЛОВ И.А., ЛЕВЫКИН Д.М. и др* Корпусные конструкции ив алюминиевых сплавов. Судпромгиз, I960*

14. ВОРОПАЙ Н*М., ГВОЗДЕЦКИЙ B.C. и др. Микроплазменная сварка легких металлов с катодным распылением окисных пленок. "Автоматическая сварка , 1969, № 7.21* ГАГЕН А.Ф.- 0 роли анода и плотности тока в нем в дуговом разряде* "Электричество", 1969, № 1.

15. Gou?af /М Pfe/rtzode £с/гп oj tales in azc и/е/скну.rfetoe const2. and But. It/efd. J. r //41?6-9 .

16. ГРЕБЕРГ Г., ЭРК С. и др; Основы учения о теплообмене.1. Изд-во ИЛ* М., 1958.

17. ГВОЗДЕЦКИЙ B.C. Влияние испарения материала катода на механизм эмиссии в дуге. ^Автоматическая сварка",1970, В 11.

18. Г0Л0ВЧЕЖ0 Б.С., НИКОНОВ А.В. Сварка судовых конструкцийв защитных газах. Судостроение. Л., 1972*26* ГРАНОВСКИЙ В.И. Электрический ток в газе. Изд-во "Наука". М*, 1971*

19. ДУДffitO Д.А., КОРНИЕНКО А.Н. Сварка алюминиево-магниевых сплавов плазменной дугой переменного тока. Сб*"Резка, направка и сварка сжатой дугой". Вып.1, 1968;

20. ИВАНОВА 0;H. Диссертация на соискание ученой степениканд.техн.наук. ИЭС им. Е*0;Патона, Киев, 1969.„ . . tetsjer7.

21. ММегО/лдег? "/ 3d ^/г, 7967.

22. КРЮКОВСКИЙ В.Н., НОВИКОВ О.М. и др. Несплошности в сварных швах сплава АМГ6 при наличии окисныг включений. "Сварочное производство", 1970, № 12.

23. КНЯЗЕВ Ю.Р.| МИШИН Р.В. и др. Ивлучение аргоновой дугивысокого давления. ШТФ, 1964, Ш 7.

24. КУЛАГШ Й.Д. КЭДИНОВ В.В. Нагрев плазменной дугой прямого действия* Электротермия, вып.32, 1964.

25. КИЯРФЕЛЬД Б.Н., ПЕРВОВА Л.С. Отрицательные и положительны*анодные падения напряжения в разряде низкого давления. M, т.ХУ, 1945, № 9.

26. КАПЦОВ Н*А; Электрические явления в газах и вакууме*1. ГИТТЛ, 1950.

27. КУДИНОВ В.В., КУЛАГИН И.Д. Тепловая эффективность процесса выплавления при реэке сжатой дугой* "Автоматическая сварка", 1965, # 8.

28. КУЛАГИН И.Д.А .НИКОЛАЕВ А.В* 0 плотности тока в анодномпятне*'Шизика и химия обработки материалов",1969,№6*45* <foocu7t90c/ ^ Jcrfofvatcc Q c*sоу-f?7Qq,/7e£it/n? . Jot/vnof" 4-к, 5, /965~.

29. ЛАШКО Н.Ф., ЛАШКО С,В. Свариваемые легкие сплавы. Л.,I960

30. ЛЕСКОВ Г.И. Электрическая сварочная дуга. Машгиз* М.,1970

31. ЛЕСКОВ Г.И. Приближенные уравнения для расчета характеристик некоторых дуг. "Автоматическая сварка , 1963, & 5.

32. МАСЛАКОВЕЦ Ю.П. Катодное распыление. Шй, Я.-М*, 1934.

33. Mavyuazdt Jeisluvys $ г олгеп &егт Р£оша Jchut&fenмШеНипуег?" /3 /9?/

34. МАЗЕЛЬ A*TV Технологические*свойства электросварочнойдуги. Машгиз. М., 1969*

35. МАЗЕЛЬ А.Г., ГЕБАРЕВ Л.А., ПУМПУРС В.М. Эмиссионные характеристики сварочных флюсов. "Сварочное производство", 1971, № 3,

36. МОРРИС . Исследование дуги постоянного тока. Сб. "По- !лучение и исследование высокотемпературной плазмы". М., 196Ь

37. МАРМЕР 8.Я., ГУРЕВИЧ О.С. и др. Высокотемпературные материалы, йзд-во. "Металлургия". М., 1967.

38. НЕСМИХ B.C., МАЛЕВСКИЙ Ю.Б. и др. Контактно-реактивнаяпайка меди с тугоплавкими металлами. "Автоматическая сварка", 1970, № 6.

39. НИКОЛАЕВ А.В., КУЛАГИН И.Д. Энергетические характеристики дугового разряда в потоке газа; Сб. "Электротермия", вып.32, 1964.

40. НИКОНОВ Г.Д. Сварка сплавов АМГ5В и АМГ6 в смеси аргонас гелием. "Сварочное производство", 1965, Ш 1.

41. НИКИФОРОВ Г.Д., МАХОРШОВА А.Г- Условия возникновения порпюи сварке алйминия и его сплавов; "Сварочное производство^, 1961, Ш 3.

42. НИКИФОРОВ Т.Д., БОЛДЫРЕВ А.М* и др; Механизм образованияпор и влияние некоторых элементов технологии на пористость швов сплава АМГ6. "Сварочное производство", 1966, № В*

43. Piase g. ft. Anc/erjjerfez Jf. P/os/t?o &?c UffdLn^pj f7LC.f<rrt and /ilph /? tcf&f a Wops. f Jou?/7Qf", 45,t.

44. Pfasma arc speeds ар ШЖщ vj Ужоке/7 \Ч*>61 ^ U/ttd£n$, Фг&у/, a^d -JbSzcx " 32,ра {ее >'■<.£. Meisfeez А7 P. Wonvoe В. f. <?Ы/?оЫсс peosrr?a u/efdc/7/р of afa/ncmt/m Jew ля £"

45. Pdiee JfnroJM ffanda& M®. 7&о*ейса£ a/?4 fxpezt/ven-63 study OJ caUodic Meaning Uc^h pfosma агс.efdiitfy Jot/bvoe" 4, 1968.

46. РАБКЙН Д.М*, ДОВБИЩЕНКО И.В. Сварка алюминия в химическом машиностроении. Материалы У1 Научно-технической конференции сварщиков Западного Урала. Пермь, 1968,

47. РАБКЙН Д.М., ДОВБИЩЕНКО И.В. Выбор способа сварки плавлением алюминия и его сплавов* "Автоматическая сварка"| 1966, № 9*

48. РАБКИН Д.М., ИВАНОВА О.М, Исследование дуги при сваркевольфрамовым электродом. Автоматическая сварка", 1968, Ш 5.

49. РАБКИН Д.М., ВОРОПАЙ Н.М., МИШЕНКОВ В.А. Аргоно-дуговаясварка алюминиевых сплавов при прямоугольной форме кривой переменного тока. "Автоматическая сварка*, 1968, В 7*

50. РАБКИН Д,М., РЯБОВ В.Р., ДОВБИЩЕНКО И.В. Применение гелия и его смеси с аргоном при сварке алюминиевых сплавов^ "Автоматическая сварка", 1963, В 9.

51. РАБКИН Д.М., Энергетическое исследование приэлектродныхобластей мощной сварочной дуги, "Автоматическая сварка", 1951, № 2.

52. РАБКИН. Д.М. г ИВШОВА О.Н. и др. Сварка алюминиевых сплавов на постоянном токе прямой полярности, "Автоматическая сварка", 1971, да 3*

53. РАБКИН Д.М., ИВАНОВА О.Н. и др. Влияние присадки окисловнекоторых редких и редкоземельных металлов на свойства вольфрамовых электродов* "Автоматическая сварка", 1964, Ш 4.

54. РУКОВОДСТВОпо пайке металлов. Пер. с англ. под ред. Лоцманова С.Н. Оборонгиз, М., I960*

55. РЫКАЛИН Н.Н., НИКОЛАЕВ А.В. Г0РНК0В О.А. Развитие анодного пятна неподвижной дуги с нагревом электрода. Сб. "Математические и теоретические проблемы в контактной технике". Алма-Ата, 1970.ч.|

56. РАДИН А.Я. Взаимодействие алюминии с газами в процессеплавки, литья и затвердевания отливок. Гидродинамика расплавленных металлов. АН СССР, 1958.

57. РУССО В.Л. Сварка алюминия и его сплавов. Л., 1956.

58. СЛАВЯНСКИЙ М.П. Физико-химические свойства элементов.1. Металлургиздат, 1952*

59. СТОЛБОВ В.И., МОИСЕЕНКО И.Н., ЛУКАШИН Н.В. Влияние некоторых технологических факторов на образованиеокис-ных включений при сварке сплава АМГ6. "Сварочное производство", 1969, № 3.

60. САМЕРВШШ Д.М., Электрическая дуга. Госэнергоиздат, 1962*

61. СПРАВОЧНИК по сварке. Под ред. Е.В.Соколова, т*1. М.,1. Машгив, 1961*

62. СИНЯКИН В.П. Сварка сплава АМГ61 в среде гелия. "Сварочное производство", 1965, № 1*

63. ТАЙД В.Л*. Современная технология и оборудование для дуговой сварки алюминиевых конструкций. Л., 1964*

64. ТЕРЕНТЬЕВ Н.М. и др. Влияние режима сварки алюминиевыхсплавов на плотность металла шва* Сварочноепроиз-иодство", 1965, Ш 10.

65. ТЕРЕНТЬЕВ Н.М., ФРОЛОВ В.В* и др* Пути снижения окисныхпленок и пористости при сварке сплава AMF6* "Сварочное производство", 1968, К 12*

66. ТЕРЕНТЬЕВ Н.М*, БАРУШКИН Ф*Е. и др. Влияние режима ивар- :ей алюминиевых сплавов на плотность металла шва. "Сварочное производство", 1965, № 10*

67. ШКОВА С.Е., РОШОВА А*А» Соединение вольфрама и молиб- ;дена с медью диффузионной сваркой. "Автоматическая сварка", 1966, В89* ИМЕННО B.C. Эмиссионные свойства элементов и соединений* У:зд-во "Наукова думка", 1964.гЩ

68. ФРВДЛЯ1ЗД М.Г., ДАНИЛОВ А.И. -Сварка меди и ее сплавовбольших, толщин сжатой дугой. Тезисы докладов к XIXитоговой сессии по производственным и научно-исследовательским работам в области сварки. Л., 1968.

69. ФИНКЕЛЪБУРГ В'., МЕККЕР F. Электрические дуги1 и термическая плазма. ИЛ. М., 1961*

70. ФУРСОВ В.А., САМОТРЯСОВ М.С*, ЦЕХМИСТЕР И.И* Катодноераспыление в сварочной дуге* "Автоматическая сварка" 1970, № И.

71. ХАНСЕН М., АНДЕРКО К. Структуры двойных сплавов. "Метал-,лургиздат", т*11, М*, 1У12*

72. ЭСИБЯН Э.М*, ДАНЧЕНКО М.Е. Энергетические свойства дугис циркониевым катодом. "Автоматическая сварка",1970, № 1.

73. ШОЕК П.А. Исследование баланса энергии на аноде сильноточных дуг, горящих в атмосфере аргона^ Сб.статей "Современные проблемы теплообмена . М.-Л.,1966*96."ЧИРКИН B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники* Атомиздат* 1968*

74. ЮСУФОВА З.А., ПЕСКОВ Г*й* К вопросу о механизме разруше• ния окисных пленок в среде инертных газов. Сварочное производство", 1970, № 7.гt