Влияние температуры нагрева покрытого электрода на скорость его плавления при сварке модулированным током Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Симаков ГМ., Марченко М.А. Процессы пуска и торможения асинхронного электропривода с частотным управлением при вентиляторной нагрузке // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - № 2. - С. 383-387.

2. Щербаков В.С., Беляков В.Е. Система управления электропривода для автокрана «КС-4562» // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. -2010. - №1. - С. 175-180.

3. Краснов И.Ю., Ланграф С.В., Черемисин В.Н. Бездатчиковые системы электропривода для лифтов // ЙесЬ - журнал интеллектуальных технологий. - 2010. - № 17. - С. 12-20.

4. Кетков Ю., Кетков А., Шульц М. MATLAB 7 - программирование, численные методы. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. -737 с.

5. Куксин А.В., Романов А.В. Математическая модель адаптивновекторной системы управления бездатчикового асинхронного электропривода // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - № 2. - С. 38-43.

Поступила 28.04.2011 г.

УДК 621.791.011

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПОКРЫТОГО ЭЛЕКТРОДА НА СКОРОСТЬ ЕГО ПЛАВЛЕНИЯ

ПРИ СВАРКЕ МОДУЛИРОВАННЫМ ТОКОМ

А.Ф. Князьков, К.И. Деменцев, А.О. Лукьянчикова

Томский политехнический университет E-mail: demkiril@tpu.ru

Произведен численный расчет температуры нагрева покрытого электрода при сварке модулированным током. Показано, что основной рост температуры электрода при сварке модулированным током происходит в интервалах протекания основных импульсов.

Ключевые слова:

Покрытый электрод, ручная дуговая сварка, температура нагрева.

Key words:

Coated electrode, Manual Metal Arc, heating temperature.

Сварка модулированным током (СМТ) - процесс сварки электродами с покрытием, заключающийся в изменении по определенному временному закону сварочного тока в виде периодически повторяющихся импульсов. В работе [1] показано, что СМТ характеризуется относительно большим количеством параметров режима таких как: амплитудное значение тока основных 1Ц и дополнительных импульсов 1}л, ток паузы 1п, длительность основного импульса ^нм, длительность основной паузы ^„„, длительность дополнительных импульсов ^снм и их частота следования в интервале протекания основной паузы Одной из основных проблем при сварке данным способом является обоснованное определение и назначение параметров режима.

В работе [1] приведен метод по определению скорости плавления покрытых электродов при СМТ Показано, что мощность, идущая на плавление покрытого электрода, имеет относительно большее значение по сравнению с мощностью при ручной дуговой сварке (РДС) и зависит от параметров импульсов, теплофизических коэффициентов материала стержня и покрытия, а также температуры нагрева покрытого электрода. Однако в пределах работы [1] температура нагрева покрытого электрода задается численно и не изменяется с течением времени протекания процесса сварки.

В работе [2] приведен расчет нагрева покрытого электрода от протекающего по нему постоянного сварочного тока. Показано, что с увеличением времени протекания процесса ручной дуговой сварки (РДС) скорость и температура нагрева покрытых электродов увеличивается. С ростом температуры нагрева электрода изменяются входящие в расчетные зависимости: удельное сопротивление электродной проволоки р, объемная теплоемкость электродной проволоки с1-у1, объемная теплоемкость покрытия с2-у2, а также коэффициент теплоотдачи поверхности покрытия окружающему воздуху а3. Согласно [2] численный расчет нагрева электрода протекающим током заключается в том, что всю разность температур от начальной до конечной делят на небольшие промежутки температуры АТ (не более 50...100 °С); для каждого из них выбирают свои осредненные значения а3ср, (с1'/1)ср, (с2Тг)ср и рассчитывают среднюю скорость АТ/А1 в данном промежутке, а по скорости нагрева определяют время А^ необходимое для заданного повышения АТ температуры электрода. Однако в наиболее интересном для практики нагрева электродов интервале температур 0.800 °С коэффициенты теплофизических свойств покрытых электродов можно представить выражениями, зависящими от постоянных (А,Д,т), определяемых из опыта,

а расчет температуры нагрева производить по выражению [2]:

А + Т = А + то А - Т А - Т0

ехр( и?),

где

А = Тпп = тй1]2 + То;

и =-

А

+1

А

(1)

(2)

(3)

Тпр - предельная температура нагрева, наступающая при бесконечно длительном действии тока, °С; ] - плотность тока, А/мм2; d1 - диаметр электродного стержня, мм; Т0 - начальная температура электрода, °С.

Совместное решение (1)—(3) относительно температуры нагрева электрода Т дает выражение:

Т = ■

(тй1./,2 + Т0л )

А + Т0.

тй1 /2

А

х ехр

тй1

тй1/1 + Тол +1

А

- А

А + Т0/

—1----------^ ехр

тй1/'/

тй1

М/ + Т0л

А

+1

+1

каждого цикла поддержание температуры нагрева электрода, достигнутой во время основного импульса, происходит за счет протекания тока паузы и дополнительных импульсов. При относительно большем амплитудном значении тока основных и дополнительных импульсов, а также их длительности, нагрев покрытых электродов растет значительно интенсивнее, что вносит дополнительный вклад в увеличение производительности их плавления.

На рис. 2 показано, что с увеличением количества циклов процесса СМТ происходит нелинейный рост температуры нагрева покрытых электродов.

Согласно [1], с учетом температуры нагрева покрытых электродов, произведена расчетная оценка и экспериментальная проверка их скоростей плавления. Скорость плавления покрытых электродов определялась по формуле:

0,48 Р

8 и.си

где ]п - плотность тока во время протекания

основных и дополнительных импульсов, а также пауз, А/мм2, 4 = 4, 4 - длительность основного, либо дополнительного импульсов, а также длительность паузы между импульсами, с, Т0 .; = Т0м, Т0п -температура нагрева электрода в моменты окончания импульса и паузы, °С.

При сварке модулированным током способами [3, 4] нагрев покрытого электрода в пределах одного цикла происходит под действием периодически изменяющегося тока. Вследствие относительно большей длительности по сравнению с длительностью дополнительных импульсов, а также относительно большего амплитудного значения тока по сравнению с током паузы, можно предположить, что рост температуры нагрева электрода происходит во время протекания основных импульсов. Поэтому расчет температуры нагрева в интервалы протекания основных и дополнительных импульсов необходимо производить с учетом соответствующих плотностей тока и их продолжительности.

На рис. 1 представлен численный расчет температуры нагрева покрытого электрода от протекающего по нему модулированного тока.

После протекания основного импульса, вследствие неравномерности нагрева электрода дугой и протекающим током, следует период выравнивания температур по длине стержня [5]. В данном интервале времени происходит остывание электрода. Однако вследствие краткосрочности протекания паузы между дополнительными импульсами (4 п(тах)~0,0195 с) данным периодом можно пренебречь. Численный расчет показал, что в пределах

^ С(Т - Т) + АШ '

где Рцср — среднее за цикл процесса СМТ значение мощности, идущей на плавление покрытого электрода, для параметров режима, рис. 1, б, Рц.ср=921,7 Дж/с, для РДС: Рц.,=671 Дж/с, С — средняя теплоемкость электродного стержня, С=0,84 Дж/(гК), [6, 7], Хпл — средняя скрытая теплота плавления электродного стержня, Ап=272Дж/г, [7], Тк — температура капель расплавленного металла, Тк-2200 К, [8], Т — температура нагрева покрытого электрода протекающим током, К.

При продолжительности процесса сварки 20 с температура нагрева покрытого электрода равна (согласно рис. 2) для:

• параметров режима 1 процесса СМТ

267+273=540 К,

• РДС: 150+273= 423 К.

Таким образом, расчетная скорость плавления покрытых электродов равна для:

• параметров режима 1 процесса СМТ:

°,48'921,7 - 0,26 г/с.

V = -

РДС:

V = -

0,84 • (2200 - 540) + 272

0,48 • 621

0,18 г/с.

0,84 • (2200 - 423) + 272

Экспериментальная проверка скоростей плавления покрытых электродов УОНИ-13/55 диаметром 3 мм осуществлялась для параметров режима: /=4=180 А, /=30 А, ¿001.=200 мс, ^=400 мс, 4=2 мс, /¿=100 Гц, а также для РДС при условии равенства среднего тока и среднедействующего «постоянного» сварочного тока: /Р(Смт=/рдрДС)-100 А. Наплавка осуществлялась в нижнем положении. Основной металл - стальные пластины размером 200х50х12 мм (сталь 09ГС), которые перемещались на специальной каретке. Электроды подавали вручную сквозь жестко установленную в вертикальном положении втулку. Продолжительность

а б

Рис. 1. График роста температуры нагрева покрытого электрода в пределах цикла процесса СМТ в зависимости от параметров режима

наплавки составляла 20 с. Каждое значение скорости плавления получено как среднее при расплавлении десяти электродов. Средний вес электрода УОНИ-13/55 диаметром 3 мм: Оэср—27,5 г. Средний вес остатка электродов при РДС: &ош.(р«23,21 г, при СМТ 0осмср—22,2 г. Экспериментальная скорость плавления при:

• РДС V—0,46 см/с, V—0,21 г/с,

• СМТ V—0,59 см/с, V—0,265 г/с.

Экспериментальная проверка скоростей плавления покрытых электродов, показала удовлетворительную сходимость расчетного метода [1] и эксперимента. Анализ полученных результатов показал, что погрешности, получаемые в результате расчетной оценки и эксперимента, зависят от точности мощностей, составляющих тепловой баланс в приэлектродной области покрытого электрода, точности теплофизических коэффициентов, по-

стоянных А, Д, т, определяемых из опытов и составляют для скорости плавления при:

• РДС до 15%,

• СМТ до 10%.

Выводы

1. Теоретически обосновано, что при равенстве средних значений постоянного и модулированного

сварочных токов нагрев покрытых электродов при сварке модулированным током растет интенсивнее, что повышает производительность процесса.

2. В интервалах основных пауз модулированного тока температура нагрева покрытых электродов поддерживается на постоянном уровне за счет тока паузы и дополнительных импульсов сварочного тока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Князьков А.Ф., Деменцев К.И., Князьков В.Л. Определение скорости плавления покрытых электродов при ручной дуговой сварке модулированным током // Сварочное производство. -2009. - № 5. - С. 3-7.

2. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1954. - 256 с.

3. Способ ручной электродуговой сварки плавящимся электродом модулированным током: пат. 2322331 Рос. Федерация. № 2006122740/02, заявл. 26.06.06, опубл. 20.04.08, Бюл. № 11. - 6 с.

4. Способ электродуговой сварки плавящимся электродом с импульсной модуляцией тока: пат. 2268809 Рос. Федерация. № 2004123912/02, заявл. 04.08.04, опубл. 27.01.06. - 9 с.

5. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А. и др. Теория сварочных процессов / под общ. ред. В.В. Флорова. - М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.

6. Мазель А.Г Технологические свойства электросварочной дуги. - М.: Машиностроение, 1969. - 178 с.

7. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.

8. Походня И.К. Газы в сварных швах. - М.: Машиностроение, 1972. - 256 с.

Поступила 26.04.2011 г.