Разработка самоорганизующегося процесса и оборудования для сварки короткой дугой в углекислом газе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Сагиров, Дмитрий Христофорович

• Сагиров, Дмитрий Христофорович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сагиров, Дмитрий Христофорович

Введение

Глава 1. Процесс сварки короткой дугой (состояние вопроса)

1.1. Стадии разработки процесса

1.2. Типовой процесс сварки короткой дугой

1.3. Механизм разбрызгивания металла при сварке короткой дугой

1.4. Модель цикла сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка

1.5. Вибродуговая наплавка - разновидность процесса сварки короткой дугой

1.6. Системы управления процессом сварки короткой дугой

1.7. Процесс STT

1.8. Синергетика в процессах сварки

1.9. Цель и задачи исследования

Глава 2. Влияние свойств дуги на характер процесса сварки

2.1. Технологические характеристики дуги в активных газах

2.2. Эквивалентная схема дуги как нагрузки в электрической цепи

2.3. Электрическая схема замещения процесса сварки короткой дугой

2.4. Выводы

Глава 3. Особенности саморегулирования процесса сварки короткой дугой

3.1. Определение основных закономерностей процесса методами теории подобия

3.2. Интегральное саморегулирование процесса дуговой сварки в системах с постоянной скоростью подачи электрода

3.3. Энергетический баланс процесса

3.4. Синергетические свойства процесса сварки короткой дугой

3.5. Выводы

Глава 4. Синергетическая система сварки короткой дугой

4.1. Закономерности синергетического процесса и пути управления переносом электродного металла в сварочную ванну

4.2. Электрическая схема синергетического процесса сварки короткой дугой

4.3. Переходные процессы при изменении параметров схемы синергетического сварочного дросселя

4.4. Разработка алгоритма управления синергетическим процессом сварки короткой дугой и модель самоорганизации процесса

4.5. Анализ традиционного оборудования и оборудования синергетических систем

4.6. Параметры режима и осциллограммы синергетического процесса

4.7. Конструкция синергетических дросселей, их программирование и регулирование режима сварочного поста

4.8. Технологические характеристики синергетического процесса

4.8.1. Влияние режима сварки на производительность, потери металла, форму и размеры шва

4.8.2. Сравнительный анализ режимов автоматической сварки стыковых соединений из тонколистового металла синергетическим и типовым процессом

4.8.3. Сравнительный анализ режимов автоматической наплавки деталей небольших размеров и малых диаметров синергетическим и типовым процессом

4.8.4. Выводы

Глава 5. Практическая реализация результатов работы 5.1. Экспериментальное оборудование для автоматической сварки и наплавки

5.2. Наплавка тел вращения

5.3. Сварка деталей и наплавка отдельных валиков

5.4. Наплавка плоских поверхностей 162 Общие выводы 177 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка самоорганизующегося процесса и оборудования для сварки короткой дугой в углекислом газе»

Сваркой короткой дугой принято для краткости называть процесс с частыми периодическими замыканиями дугового промежутка каплями расплавленного металла, осуществляемый на постоянном токе и протекающий в виде автоколебаний в системе «дуга-источник питания» (Д-ИП).

Сварка короткой дугой является естественным импульсным процессом (без применения каких либо импульсных генераторов) и осуществляется устройствами с постоянной скоростью подачи электрода.

Процесс сварки короткой дугой обладает следующими основными преимуществами:

- минимальный ток устойчивого процесса в 2.2,5 раза ниже минимального тока процесса сварки длинной дугой;

- возможность ведения сварочных работ во всех пространственных положениях;

- минимальные потери на угар и разбрызгивание при оптимальных параметрах режима сварки и сварочной цепи;

- меньшее выгорание легирующих элементов (большие коэффициенты перехода);

- возможность протекания процесса в глубоком вакууме и это свойство процесса было использовано при сварке в космосе.

Указанные преимущества с одной стороны обеспечили широкое практическое применение этого способа в различных отраслях промышленности, и, с другой стороны, служат стимулом для его совершенствования, устранения присущих ему недостатков, и расширения областей дальнейшего применения.

Такие работы в настоящее время проводятся в России и за рубежом. В частности, фирмой Lincoln Electric разработан процесс, получивший название STT («Surface Tension Transfer» - перенос металла благодаря силам поверхностного натяжения). Ранее процесс сварки короткой дугой назывался в зарубежной литературе «dip transfer» - перенос металла окунанием.

Не приводя здесь подробный анализ работы систем на основе процесса STT (это будет сделано ниже), следует отметить, что это требует сложного электронного оборудования, базирующегося на инверторных источниках питания с применением ЭВМ.

Более углубленное и детальное изучение процесса сварки короткой дугой позволили выявить такое важное его свойство как самоорганизация или внутреннее саморегулирование. В связи с этим возникла идея использовать синер-гетические свойства этого процесса для его существенного совершенствования и устранения присущих ему недостатков, не прибегая к использованию сложных систем управления.

Настоящая работа посвящена исследованию синергетических свойств процесса сварки короткой дугой и использованию их для его совершенствования на практике.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Сагиров, Дмитрий Христофорович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показали, что наиболее перспективным направлением, расширяющим технологические возможности процесса сварки короткой дугой, является применение адаптивных систем управления.

2. Полученные безразмерные критерии подобия процесса отражают влияние основных параметров режима на длительность короткого замыкания.

Время короткого замыкания является задающим параметром цикла процесса.

3. При сварке короткой дугой имеет место интегральное саморегулирование, при котором равенство скоростей подачи и плавления электрода выполня ется за цикл.

Искусственное уменьшение тока в одной части цикла во время горения дуги приводит к росту тока в другой части цикла - перед коротким замыканием.

4. Рассмотрение энергетического баланса процесса показывает, что во время горения дуги в пределах цикла энергия, накопленная в индуктивности во время короткого замыкания соизмерима с энергией, отдаваемой источником питания.

Запасенная энергия в индуктивности пропорциональна времени короткого ► замыкания.

При изменении индуктивности сварочной цепи средний и эффективный токи изменяются незначительно.

5. При действии на процесс возмущений стабилизация сварочного тока при постоянных Vn и d3 при водит к изменению частоты коротких замыканий.

6. На основании установленных закономерностей и синергетических свойств процесса сварки короткой дугой разработаны пути управления переносом электродного металла.

Устанавливаются программы переноса капель «мадрго» и «большого» объемов.

Для капель малого объема устанавливаются низкие скорости нарастания кА кА я тока от 10 — до 40 — при времени перехода в сварочную ванну до 4 • 10 с. с с

Для капель большого объема начальные скорости перехода совпадают со кА скоростями для малых капель с последующим увеличением от 50 — до с icA. ^

250— с ограничением по времени до 8-10" с. с

Выбор программы зависит от возмущений и заранее не определен.

Таким образом, скорость нарастания тока определяется величиной возмущений, влияющих на время короткого замыкания, и осуществляется синергети-ческим сварочным дросселем, имеющим нелинейную характеристику.

7. Нелинейный характер синергетического сварочного дросселя определяет закономерности горения дуги после разрыва перемычки и способствует со-осному расположению капли на конце электрода при ее подходе к сварочной ванне.

8. Синергетический процесс сварки короткой дугой характеризуется высокой стабильностью, расширением диапазона режимов в сторону их уменьшения и малым разбрызгиванием.

При переносе электродного металла каплями малого объема коэффициент потерь составляет менее 2%.

9. Рациональная область применения синергетического процесса сварки короткой дугой - это соединение малых толщин металла от 0,5 мм, наплавка слоев толщиной 0,5-1,0 мм плоских поверхностей и тел вращения, повышение размерной точности сборочных единиц благодаря малым деформациям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сагиров, Дмитрий Христофорович, 2006 год

1. Г. П. Клековкин, Автоматическая виброконтактная холодная наплавка стали и твердых сплавов в струе электролита. Сб. «Автоматическая наплавка износоустойчивыми сплавами». М.: Машгиз, 1955, 246 с.

2. И.П. Пацкевич. Вибродуговая наплавка, М.: Машгиз, 1958, 118 с.

3. Н.М. Будник, Н.Г. Дюргеров, Ю.Л. Ищенко. О возможности наплавки в охлаждающей жидкости без вибрации электрода. //Автоматическая сварка, 1962, №9. -С.47-50

4. И.И. Заруба, А.Г. Потапьевский. Особенности процесса сварки тонкой электродной проволокой в среде углекислого газа. //Автоматическая сварка,1958, №6. -С.14-17.

5. И.И. Заруба, Б.С. Касаткин, Н.И. Каховский, А.Г. Потапьевский. Сварка в углекислом газе. «Техника». Киев, 1966. 291 с.

6. А.И. Акулов, В.В. Спицын, А.К. Кржечковский. Сварка в углекислом газе поворотных стыков труб из малоуглеродистой стали // Сварочное производство, 1959, №3. -С.25-27

7. А.В. Петров. Защитные газы для дуговой сварки. //Сварочное производство, 1957, Jfe8. -С. 12-14

8. Ю.Л. Ищенко, Н.Г. Дюргеров. Плавление электрода и саморегулирование дуги при сварке с периодическими замыканиями дугового промежутка //Сварочное производство. 1961. №6. -С.9-12.

9. Н.Г. Дюргеров, Ю.Л. Ищенко. О стабильности процесса сварки короткой дугой в среде углекислого газа. // Сварочное производство. 1962. №1. -С.5-7.

10. Н.Г. Дюргеров. Стабильность процесса дуговой сварки с саморегулированием режима. //Сварочное производство. 1962. №10. -С.5-8.

11. Ю.М. Кашурников, М.Ш. Добрушин. Оптимальные параметры сварочной цепи при сварке в среде углекислого газа с периодическими короткими замыканиями. //Сварочное производство. 1962. №7. -С.31-33.

12. JI.H. Кушнарев, В.А. Книгель. Влияние индуктивности источника питания на процесс сварки в среде углекислого газа. Сб. «Сварка, резка, наплавка и металлизация». ЦНИТЭИ, вып.2., М, 1960. -С.8-12.

13. R.W. Tuthill. Dip-transfer Carbon-dioxide Welding //Welding Journal. 1959. vol. 38. №10.

14. A.A. Smith. Characteristics of the short circuiting C02 shielded arc. //British Welding Journal. 1963. №11.

15. A. Carrer. Dynamic behavior d.c. generators for arc welding. //British Welding Journal. 1960. №1.

16. А.А. Ерохин. Основы сварки плавлением. М., Машиностроение., 1973, 448 с.

17. Н.Г. Дюргеров. Причины периодических замыканий дугового промежутка при сварке короткой дугой. //Сварочное производство. 1974. №9. -С.1-3.

18. Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сагиров, В.А. Ленивкин. Оборудование для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом. М. Энергоатомиздат. 1985. 80 с.

19. Ф.В. Квасов. Особенности механизированной сварки с управляемым переносом металла. //Сварочное производство. 1999. №8. -С.27-31.

20. Г. Хакен. Синергетика. М.: Мир, 1985, 419 с.

21. В.А. Ленивкин, Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сагиров. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение, 1989,264 с.

22. И.И. Заруба. Условия устойчивости процесса сварки с короткими замыканиями. //Автоматическая сварка. 1971. №2. -С.27-29.

23. И.И. Заруба. Механизм разбрызгивания металла при дуговой сварке. — Автоматическая сварка: 1970. №11. -С. 12-16.

24. А.Г. Потапьевский. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М.: Машиностроение, 1974, 239 с.

25. И.И. Заруба, А.Г. Потапьевский. Особенности сварки тонкой электродной проволокой в среде С02. //Автоматическая сварка. 1958. №6. -С.17-19.

26. В.Т. Золотых, P.M. Гуфан, Н.Г. Дюргеров, Ю.Л. Ищенко. Влияние индуктивности в цепи дуги постоянного тока на процесс сварки в углекислом газе. //Сварочное производство. 1960. №4. -С. 15-18.

27. А.И. Акулов, В.В. Спицын. О кинетике образования и переноса капли электродного металла при сварке в С02. //Сварочное производство. 1968. №2. — С.17-18.

28. В.А. Букаров, С.С. Ермаков. Динамика энергетических характеристик дуги при сварке плавящимся электродом с короткими замыканиями. //Сварочное производство. 1991. № 8. 33 с.

29. А.И. Акулов, М.И. Киселев, В.В. Спицин. Действие газодинамического удара, возникающего при разрыве перемычки электродного металла при сварке в С02. //Сварочное производство. 1967. №12. -С. 18-20.

30. А.Г. Потапьевский и др. Сверхскоростная киносъемка установкой СФР-1 непрерывных процессов при дуговой сварке //Автоматическая сварка. 1973. №2. —С. 19-21.

31. И.Р. Пацкевич, Г.Д. Куликов. Исследование и применение автоматической дуговой наплавки вибрирующим электродом //Сварочное производство, 1956, №5. -С.8-9.

32. И.С. Пинчук, И.Р. Пацкевич. Исследование устойчивости процесса автоматической вибродуговой наплавки. Сб. Вопросы сварочного производства. Труды ЧПИ, вып. 16. Машгиз, 1958. -С. 13-17

33. Н.Г. Дюргеров, В.Х. Изаксон. К определению устойчивости цилиндрической перемычки между электродом и сварочной ванной //Сварочное производство. 1978. №7. -С.54-55.

34. И.И. Заруба. Об устойчивости перемычки между плавящимся электродом и ванной//Сварочное производство. 1974. №10. -С.50-52.

35. В.В. Степанов, Д.Д. Остров, В.Н. Белоусов. Устойчивость перемычки между плавящимся электродом и ванной при сварке в С02 //Сварочное производство. 1974. №11. -С.4-5.

36. А.А. Шевченко. Разработка и исследование процесса наплавки короткой дугой в охлаждающей жидкости. Автореферат на соискание ученой степеникандидата технических наук. г. Ростов-на-Дону. 1972 г.

37. Пацкевич И.Р. Исследование и применение вибродуговой наплавки. М.: Машиностроение. 1964. 232 с.

38. К вопросу о переносе металла короткими замыканиями /А.Г. Потапьевский, М. Г. Лившиц, Д.С. Кассов и др. //Сварочное производство. 1976. №4. -С.53-54.

39. А.с. 329970 (СССР). Способ дуговой сварки плавящимся электродом. /Н.Г. Дюргеров, В.А. Щекин, Х.Н. Сагиров и др. Опубл. В Б.И., 1972, №8.

40. А.с. 214690 (СССР). Способ дуговой сварки. /А.Г. Потапьевский, Н.Г. Дюргеров. Опубл. В Б.И., 1968, №12.

41. А.с. 228835 (СССР). Устройство для импульсно-дуговой сварки /Н.М. Буд-ник, Н.Г. Дюргеров, Ю.Л. Ищенко и др. Опубл. Б.И. 1968, №32.

42. Н.Г. Дюргеров. Уменьшение разбрызгивания металла и стабилизация процесса сварки короткой дугой. //Автоматическая сварка. 1972. №6. -С.48-49.

43. А.Л. Хейфец. Снижение разбрызгивания металла при сварке короткой дугой в углекислом газе ограничением энергии взрыва перемычек — Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МВТУ им. Баумана, 1979.

44. Б.Е. Патон, В.К. Лебедев. Управление плавлением и переносом электродного металла при сварке в углекислом газе. //Автоматическая сварка. 1988. №11. -С. 1-5.

45. Принудительный перенос металла при сварке модулированным током в углекислом газе /В.А. Щекин, Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сагиров и др. //Сварочное производство. 1973. №3. 23 с.

46. А.с. 727361 (СССР). Устройство для ручной дуговой сварки модулированным током /А.Ф.Князьков, С.В. Ушаков, В.И. Дедюх и др. Опубл. Б.И., 1979. №32.

47. И.С. Пинчук, В.Ф. Постаушкин, Г.Д. Куликов и др. Уменьшение разбрызгивания при сварке с короткими замыканиями путем ограничения энергиивзрыва перемычки. //Сварочное производство. 1976. №11. -С. 10-13.

48. Физический энциклопедический словарь. Под редакцией A.M. Прохорова, М; Советская энциклопедия, 1983, 928 с.

49. К.В. Фролов, В.И. Колесников, П.Г. Иваночкин. Введение в синергетику. Ростов-на-Дону, РГУПС, 2003, 109 с.

50. Д.Х. Сатаров. Синергетические системы при сварке плавлением. /Вестник РГУПС. 2004. №2. -С. 31-34.

51. Н.Г. Дюргеров, В.А. Ленивкин, Х.Н. Сагиров. Расчет параметров импульсов при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом. //Сварочное производство. 1966. №5. -С.21-22.

52. И.В. Зуев. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. М. 1998. 163 с.

53. В.А. Ленивкин, Н.Г. Дюргеров, P.M. Гуфан. Замечания по статье B.C. Мече-ва. Блуждание дуги при сварке плавящимся электродом. //Сварочное производство. 1986. №6. -С.40-41.

54. И.Г. Кесаев. Катодные процессы ртутной дуги и вопросы ее устойчивости. Госэнергоиздат. 1961.

55. И.Г. Кесаев. Катодные процессы электрической дуги. Издательство «Наука». М. 1968. 244 с.

56. B.C. Мечев. Блуждание дуги при сварке плавящимся электродом //Сварочное производство. 1984. №4. -С.5-7.

57. В.И. Раховский. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. Издательство «Наука». М. 1970. 536 с.

58. Н.Г. Дюргеров, В.А. Щекин. О причинах разбрызгивания металла при газоэлектрической сварке длинной дугой. //Сварочное производство. 1973. №10. -С. 47-48.

59. P.M. Гуфан, Н.Г. Дюргеров, Ю.Л. Ищенко, Л.М. Ронский. Некоторые особенности сварки в среде углекислого газа на переменном токе. //Сварочное производство. 1960. №1. -С.23-25.

60. Х.Н. Сагиров, Н.Г. Дюргеров, В.А. Ленивкин, В.А. Щекин. Применение нелинейных приставок для осциллографирования сварочного тока. //Автоматическая сварка. 1972. №7. -С.73-74.

61. В. Финкельнбург, Г. Меккер. Электрические дуги и термическая плазма. М.: Иностр. лит, 1961, 369 с.

62. О.Б. Брон, Л.К. Сушков. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов. Л.: Энергия, 1975, 211 с.

63. В.М. Иваненко. Характеристика плавления малоуглеродистой и кремнемар-ганцовистой электродных проволок. //Сварочное производство. 1964. №7. -С.4-6.

64. В.М. Неровный, В.М. Ямпольский. Сварочные дуговые процессы в вакууме. М.: Машиностроение. 2002. 264 с.

65. В.Л. Грановский. Электрический ток в газе. М.: Наука, 1971, 543 с.

66. Н.Г. Дюргеров. Приближенная оценка инерционности сварочной дуги. Сб. «Вопросы газоэлектрической сварки». РИСХМ. г. Ростов-на-Дону, 1972. 153 с.

67. Л.И. Седов. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1965, 388 с.

68. В.А. Веников. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). М.: Высшая школа, 1976, 276 с.

69. Д.Х. Сагиров. Определение закономерностей процесса сварки короткой дугой с помощью теории подобия. //Вестник РГУПС. 2003. №2. -С.44-46.

70. Н.Г. Дюргеров. О разрыве перемычки между электродом и сварочной ванной. //Сварочное производство. 1972. №3. -С. 17-19.

71. Н.Г. Дюргеров, В.Х. Изаксон. Определение устойчивости перемычки между электродами и сварочной ванной. //Сварочное производство. 1974. №1. -С.27-29.

72. Н.Г. Дюргеров, В.Х. Изаксон. Ответ на замечания по статье об устойчивости перемычки между электродом и сварочной ванной. Сварочное производство. 1974. №10.-С.31-32.

73. Н.Г. Дюргеров, Ю.Л. Ищенко. О стабильности процесса сварки короткой дугой в среде углекислого газа. //Сварочное производство. 1962. №1. -С.7-8.

74. Г.М. Каспаржак. Структура и методика анализа процесса саморегулирования дуги при сварке. /Г.М. Каспаржак, Л.Е. Алекин//. Автоматическое регулирование дуговой сварки: сб. научн. тр. М.: АНСССР. 1958.

75. А.В. Петров. Плавление электродной проволоки при аргонодуговой сварке. //Сварочное производство. 1955. №2. -С.4-7.

76. Н.Г. Дюргеров и др. Статические характеристики системы саморегулирования дуги. //Автоматическая сварка. 1970. №9. -С. 16-17.

77. Н.Г. Дюргеров, А.А. Шевченко. Импульсно-дуговая наплавка в охлаждающей жидкости. Сб. аннотаций научно-исследовательских работ в области сварочного производства. Ростов-на-Дону. РИСХМ. 1972. -С.8-11.

78. С.Г. Гинсбург. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. М.: Высшая школа, 1967, 383 с.

79. Г.В. Зевеке и др. Основы теории цепей. Госэнергоиздат М.Л. 1963. 440 с.

80. Электрический взрыв проводников. Под. ред. А.А. Рухадзе. Издательство «Мир». М. 1965. 360 с.

81. B.C. Милютин, В.А. Короткое. Источники питания для сварки. Челябинск: «Металлургия Урала», 1999, 368 с.