Kinetic features of heat and mass transfer under welding and surfacing.pdf Введение Процесс электродуговой сварки и наплавки в среде углекислого газа плавящимся электродом с переносом электродного металла на интервалах коротких замыканий дугового промежутка является одним из самых массовых способов [1]. Изучение его было начато в 1950-е годы, когда советскими учеными К.В. Любавским и Н.М. Новожиловым был предложен способ сварки в защитной среде углекислого газа. Способу присущи как достоинства, так и недостатки [2], основные из которых - нестабильность плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну, а также повышенное разбрызгивание в ходе технологического процесса. К настоящему времени известно большое количество технических и технологических решений [3, 4], позволяющих значительно снизить отрицательные стороны процесса и повысить эффективность его применения в промышленности. Цель работы - изыскание путей повышения эффективности процесса электродуговой сварки и наплавки плавящимся электродом в среде углекислого газа с короткими замыканиями дугового промежутка путем обеспечения стабильности тепломассопереноса и снижения разбрызгивания электродного металла за счет импульсного управления энергетическими параметрами режима. О природе сварочных процессов Анализ направлений устранения основных недостатков процесса наплавки в среде углекислого газа, помимо учета металлургических и технологических особенностей процесса, показал, что основная причина, вызывающая проявление вышеуказанных недостатков, связана с появлением пространственной неустойчивости расположения капли электродного металла на конце электродной проволоки при её плавлении. Это кроется в физических особенностях горения дуги в среде СО2. Столб дуги, горящей в среде СО2, сжат. В этом случае резко возрастают реактивные силы плазменных потоков и потоков испаряющего металла. Это приводит к увеличению результирующей силы комплекса сил, действующих на каплю электродного металла. Как правило, при плавлении электрода результирующая сила направлена не в сторону сварочной ванны. Это сопровождается вытеснением капли на боковую поверхность электродной проволоки, которая к началу короткого замыкания занимает пространственно неустойчивое положение. Схема сил, действующих на каплю электродного металла, представлена на рис. 1. Анализ комплекса сил, действующих на каплю электродного металла, а также их аналитических выражений, обосновывает случайный характер переноса электродного металла в сварочную ванну, который усиливается с увеличением плотности тока [1]. С учетом этого обстоятельства, основное направление устранения вышеотмеченных недостатков связано с обеспечением строгого дозирования энергии, затрачиваемой на всех интервалах сварочного микроцикла - периода плавления и переноса каждой капли электродного металла [5]. Рис. 1. Комплекс сил, действующих на каплю электродного металла при плавлении электрода: Fт - сила тяжести капли электродного металла; Fп.н - сила поверхностного натяжения; FЭД - электродинамическая сила; Fп - реактивное давление паров испаряющегося металла и выделения газа; Fпл - сила давления потоков плазмы дуги; FΣ - результирующая сила Примером отмеченного подхода может быть алгоритм изменения энергетических параметров режима, представленный на рис. 2. На рис. 2, а сделаны следующие обозначения: Iд и Uд - ток и напряжение на дуге; τ1 - длительность паузы кратковременного уменьшения тока, вводимой на последней стадии существования перемычки на интервале короткого замыкания; τ2 - длительность горения дуги в импульсе; τ3 - длительность паузы перед коротким замыканием дугового промежутка; tКЗ - длительность короткого замыкания (КЗ); Tц - длительность сварочного микроцикла; tг.д - общая длительность горения дуги; Iпик - пиковое значение тока короткого замыкания. а б Рис. 2. Циклограммы изменения тока и напряжения дуги управляемого каплепереноса с короткими замыканиями дугового промежутка (а). Экспериментально полученные осциллограммы тока и напряжения дуги и видеокадры переноса электродного металла в пределах сварочного микроцикла (б) - периода плавления и переноса одной капли электродного металла Представленный подход к совершенствованию процессов сварки и наплавки в среде защитных газов с переносом электродного металла во время коротких замыканий дугового промежутка лег в основу создания многочисленных процессов [6-11], эффективно применяемых в практике мирового промышленного производства. Методика эксперимента Плавление и перенос электродного металла в сварочную ванную - это быстропротекающий процесс, регистрация которого требует соответствующего оборудования, а также разработки специального программного обеспечения для обработки и количественной оценки характеристик тепломассопереноса [12]. Для комплексного изучения кинетики протекающих процессов, в рамках проекта РНФ №16-19-10010П, был разработан специализированный исследовательский комплекс, позволяющий производить регистрацию процесса плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну при помощи высокоскоростной видеокамеры, при одновременной синхронной регистрации основных энергетических параметров технологического процесса. Особенностью проводимых исследований является применение источника лазерного когерентного излучения, который обеспечивает улучшение визуализации изучаемого объекта - процесса плавления и переноса каждой капли электродного металла в условиях интенсивного светового излучения от электрической дуги. На рис. 3 представлены структура (а) и внешний вид исследовательского комплекса документированной регистрации сварочно-технологических свойств материалов и сварочного оборудования (б), применяемых для дуговой сварки и при наплавке плавящимся электродом. Регистрация параметров технологического процесса осуществляется следующим образом. С помощью специального программного обеспечения (ПО) задается алгоритм выполнения сварного соединения (или наплавки), задание передается с персонального компьютера (PC) на контроллер. Контроллер управляет перемещением стола с образцом и запускает процесс наплавки. После задержки 1-2 с с момента начала процесса наплавки контроллер подает сигнал (Trigger) на начало записи на высокоскоростную видеокамеру и плату сбора данных, записывающую энергетические параметры (ток, напряжение). Каждый кадр высокоскоростной видеозаписи, посредством блока синхронизации, синхронизируется с импульсами лазера, обеспечивающего подсветку изучаемого объекта. Кроме того, импульсы синхронизации обеспечивают постановку меток на осциллограммах тока и напряжения для точного совмещения осциллограмм с кадрами видеозаписи. а б Рис. 3. Исследовательский комплекс документированной регистрации сварочно-технологических свойств материалов и сварочного оборудования Остановка записи производится по сигналу от контроллера. Комплекс подразумевает использование инфракрасной тепловизионной камеры для записи тепловых полей в процессе наплавки (сварки). Расшифровка термограмм позволяет получить информацию о кинетике распространения тепла, скорости остывания сварочной ванны и зоны термического влияния, размерах сварочной ванны и ЗТВ, изменении их температуры во времени. Важным звеном в разработанном комплексе является роботизированная сварочная платформа, которая обеспечивает в процессе исследований автоматическое перемещение свариваемого образца по одной из выбираемых траекторий перемещения (рис. 4). Рис. 4. Варианты траекторий перемещения платформы В таблице приведены параметры режимов наплавки порошковой проволокой в среде углекислого газа на режимах постоянного и импульсного тока. Осциллограммы тока и напряжения на дуге на разных режимах приведены на рис. 5. Режимы наплавки порошковой проволокой K-71TLF Способ наплавки Марка проволоки Слой шва Uср. д, В Iср.д, А Количество КЗ TКЗ ср, мс Kd IКЗ ср, А Погонная энергия, кДж/м Режим постоянного тока K-71TLF Режим 1 21.4 147.0 182 4.2 0.2 259.5 807 Режим 2 24.6 218.0 130 3.0 0.3 335.3 1507 Режим 3 25.2 219.5 98 2.7 0.3 336.5 1481 Режим импульсного тока K-71TLF Режим 1 13.4 144.0 292 4.6 0.3 300.0 679 Режим 2 15.4 165.8 242 4.8 0.4 282.0 1102 Режим 3 16.6 157.0 173 4.2 0.4 256.5 1169 Примечание. Количество КЗ - количество коротких замыканий; TКЗ ср - средняя длительность коротких замыканий; Kd - коэффициент вариации длительности коротких замыканий; IКЗ ср - среднее значение пикового значения тока короткого замыкания. Рис. 5. Примеры регистрации осциллограмм тока и напряжения на дуге в режиме неуправляемого каплепереноса (а) и управляемого каплепереноса в режиме импульсного тока (б), полученных с помощью исследовательского комплекса и специализированного оборудования для импульсно-дуговой сварки и наплавки На рис. 6 приведены столбчатые диаграммы основных характеристик тепломассопереноса при сварке порошковой проволокой в среде защитного газа с переносом во время принудительных коротких замыканий. Представленные зависимости получены при обработке осциллограмм тока и напряжения дуги при помощи специального программного обеспечения [12]. В процессе экспериментов имеется возможность в регистрации тепловых полей с применением тепловизионной камеры Optris PI 1M. При этом обработка тепловых картин может осуществляться с применением специального программного обеспечения, позволяющего после обработки построить кривые термических циклов как в продольном, так и в поперечном относительно шва направлениях [12]. а б в г Рис. 6. Столбчатые диаграммы характеристик тепломассопереноса при наплавке порошковой проволокой в среде углекислого газа Обсуждение результатов исследований В ходе технологических исследований было установлено, что благодаря управлению плавлением и переносом каждой каплей электродного металла, путем адаптивного контроля за изменениями основных энергетических параметров технологического процесса, многие его показатели стабилизируются. Так, например, такой показатель тепломассопереноса, как частота коротких замыканий (рис. 6, а), имеет тенденцию к возрастанию при переходе от режима постоянного тока к режиму импульсного тока, для всех трех режимов наплавки, приведенных в таблице. При этом в пределах вариации режимов наплавки в выбранном способе управления (наплавка в режиме постоянного тока или импульсного изменения энергетических параметров режима), количество коротких замыканий уменьшается при увеличении самих значений энергетических параметров режимов, прежде всего, благодаря увеличению напряжения дуги (таблица). Важно, что при этом разброс пределов изменения средней длительности коротких замыканий уменьшается с 40-50 % относительно средней величины, для случая наплавки на режимах постоянного тока, до уровня 4-14 %, для случая наплавки на режимах импульсного изменения энергетических параметров режима (рис. 6, б). Это свидетельствует о повышении стабильности плавления и переноса электродного металла каплями практически одинакового размера и, как следствие, при постоянной длительности коротких замыканий. Важной составляющей технологического процесса является величина погонной энергии (рис. 6, в). Общей тенденцией изменения величины погонной энергии является рост её абсолютных значений при увеличении энергетических параметров режима как на постоянном токе, так и на режимах импульсного тока (таблица). Однако следует заметить, что во втором случае значения погонной энергии для каждого из выбранных режимов меньше. Аналогичная тенденция сохраняется и при регистрации величин тока наплавки (рис. 6, г). Среднее значение тока наплавки на всех режимах постоянного и импульсного тока становится меньше по своей абсолютной величине. Это благоприятно сказывается на теплосодержании сварочной ванны, на увеличении скорости её кристаллизации, а также снижении структурной неоднородности в зоне неразъемного соединения [13, 14]. Совокупность рассмотренной количественной оценки характеристик тепломассопереноса приводит к резкому уменьшению разбрызгивая электродного металла при переходе от неуправляемого переноса электродного металла к управляемому. Подтверждением этого утверждения являются видеокадры отдельных интервалов каплепереноса, представленные на рис. 7 и 8. Анализ видеокадров, представленных на рис. 7, показывает, что вследствие действия комплекса сил на каплю электродного металла она смещается на боковую поверхность непрерывно подаваемого электрода, занимая пространственно неустойчивое положение. При этом любое увеличение величины тока способствует еще большему её вытеснению от оси электрода, что становится причиной повышенного разбрызгивания. 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 8. Видеокадры процесса плавления и переноса электродного металла при наплавке порошковой проволокой в среде защитных газов управляемого каплепереноса без коротких замыканий дугового промежутка Рис. 7. Видеокадры процесса плавления и переноса электродного металла при наплавке порошковой проволокой в среде защитных газов с короткими замыканиями дугового промежутка неуправляемого каплепереноса Следует заметить, что плавление проволоки осуществляется неравномерно. Как правило, оболочка проволоки плавится быстрее, обнажая её сердечник, который отстает по скорости плавления. Процесс переноса при этом носит случайный характер и, как правило, осуществляется крупными в размерах каплями. При импульсно-дуговой сварке (рис. 8), при сохранении дисбаланса в скоростях плавления оболочки и сердечника, наложение импульсов тока способствует принудительному отрыву всего количества электродного металла, накопленного к началу действия импульса тока. Это происходит благодаря действию импульс-силы в направлении сварочной ванны, которая обеспечивает «пережатие» по линии расплавления электрода, и перемещению расплавленного металла в сварочную ванну. Заключение Выполненный анализ кинетических особенностей тепломассопереноса в условиях сварки и наплавки показал, что снижения разбрызгивания и повышения стабильности характеристик тепломассопереноса при механизированной сварке и наплавке можно достичь путем управления энергетическими параметрами режима, определяющего характер действия комплекса сил на капли электродного металла, расположенные на торце непрерывно подаваемого электрода. Это достигается путем применения специальных адаптивных импульсных технологических процессов, в которых контроль за состоянием дугового промежутка осуществляется на интервалах мгновенных значений энергетических параметров режима. Развиваемый подход открывает новые возможности не только в совершенствовании технологий сварки и наплавки, применяемых при производстве металлоконструкций ответственного назначения, но и значительно расширяет базу знаний о физических особенностях быстропротекающих процессов тепломассопереноса в условиях сварки и наплавки плавящимся электродом.

Скачать электронную версию публикации