CC BY
16
УДК 621.791.01
И. Е. Аржанникова, студент магистратуры Аэрокосмического института, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: arzhannikovaie@mail.ru
Н. З. Султанов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем автоматизации, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СВАРКА ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ С ПРОЦЕССОМ ХОЛОДНОГО ПЕРЕНОСА КАПЕЛЬ В СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ КОНСТРУКЦИЙ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В работе рассмотрены особенности аргонодуговой сварки неплавящимся электродом и автоматизированной сварки плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель. Отмечены преимущества и недостатки этих технологий. Приведён анализ выполненных экспериментальных работ. Установлены технологические параметры, оказывающие влияние на формирование сварных соединений. Получены качественные стыковые сварные швы на образцах сплава АМг6 толщиной 2,0 мм методом аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом и методом автоматизированной сварки плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель. Приведены результаты расчета эффективности новой технологии сварки. Разработан оптимальный технологический режим автоматизированной сварки плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель по результатам сваренных образцов. С помощью метода сравнения полученных данных эксперимента сформированы выводы по проведённому исследованию. Установлено, что высокофункциональное сварочное оборудование Fronius можно эффективно применять в машиностроении для автоматизированной сварки плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель в стыковых соединениях конструкций алюминиевых сплавов.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, плавящийся электрод, сварные соединения, механические свойства, источник питания, ручная дуговая сварка неплавящимся электродом, автоматизированная сварка плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель.
В настоящее время сварка алюминиевых сплавов активно используется в авиационной промышленности, ракетостроении, железнодорожном и автомобильном транспорте, судостроении, строительстве.
Конструкции алюминиевых сплавов склонны к деформациям, что объясняется относительно высоким коэффициентом теплового расширения при сварке. Снижение деформаций в конструкциях может быть достигнуто только за счет выбора способа сварки и технологических приёмов, уменьшающих деформации. Исследовательская работа по разработке передового метода в технологии автоматизированной сварки плавящимся электродом является актуальным и востребованным направлением в решении проблем применяемой технологии сварки конструкций алюминиевых сплавов [3, 4].
Цель работы: исследование нового метода с процессом холодного переноса капель в технологии автоматизированной сварки плавящимся электродом стыковых соединений тонкостенных конструкций алюминиевого сплава толщиной от 0,3 мм до 2,5 мм [2, 3, 4, 5].
Для сварки стыковых соединений тонкостенных конструкций на среднестатистическом машиностроительном предприятии широко применяются алюминиевые сплавы типа АМг6. Основными достоинствами их являются высокая удельная прочность и коррозионная стойкость. В сварных со-
единениях эти сплавы способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и коррозионной стойкости [2, 3, 5]. При этом для конструкций из тонколистового металла, как правило, используется технология ручной дуговой сварки вольфрамовым электродом в аргоне [1, 2, 3, 5].
При применении технологии дуговой сварки вольфрамовым электродом происходит существенное коробление теоретического контура конструкции из-за остаточных внутренних напряжений при нагреве, для восстановления которого необходимо каждый раз производить термокалибровку, что требует значительных дополнительных временных и денежных затрат. Чтобы соблюсти заданные обводы, элементы конструкции подвергают дорогостоящей обработке, которая снимает деформации. Чтобы избежать «поводки», сварные узлы помещают в стальные толстостенные гильзы с электронагревом, где и происходит их отпуск. После восстановления контура больших усилий стоит обеспечить технологичность в отношении сборки готового изделия, которая необходима для серийного производства. Сборка должна обладать прочной увязкой стыкуемых отсеков, обеспечивая точность обвода, которая по техническим условиям измеряется долями миллиметров [1, 2, 3, 5].
Нужно отметить, что в технологии дуговой сварки вольфрамовым электродом проблемой
являются неизбежность повторяющихся дефектов сварных соединений - поры, цепочка пор и включения вольфрама как результата ручной сварки, и требует ввод дополнительных операций: рентгено-контроля, удаления дефектов, сварки дефектного участка и повторного рентгено-кон-троля. Характерной проблемой является низкая скорость сварки, которая в среднем составляет восемь метров в минуту, и зависит от квалификации сварщика и его умения. Нехватка высококвалифицированных сварщиков на рынке труда не позволяет соответствовать НКД технологии сборки-сварки. Кроме того, на скорость сварки влияет коэффициент наплавки сварочной проволоки и сила сварочного тока, произвольное увеличение которых ведёт в свою очередь к следующей проблеме - к перегреву поверхности детали. Вышеперечисленные проблемы технологии замедляют производственный процесс, снижают производительность, увеличивают затраты и время на выход серии готового изделия [2, 3].
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские бюро на промышленных производствах ведут работы по решению назревших проблем технологии дуговой сварки вольфрамовым электродом. Часть из описанных проблем технологии решаются путём внедрения автоматизированной сварки. При этом используется консоль с двигателем, на которой устанавливается ручная горелка с механизмом подачи проволоки, и манипулятор. В результате использования автоматического сварочного комплекса происходит уменьшение дефектов сварных соединений и снижение влияния человеческого фактора. Данный метод эффективен только при сварке продольных и поперечных соединений. Для сварки стыковых соединений остаётся необходимость производить дорогостоящую термокалибровку [2, 3].
В отечественной и зарубежной практике в производстве для решения проблем применяют предварительный подогрев, который требует контроля и дополнительных затрат разного рода ресурсов. Применение технологии неизбежно ведёт к неравномерности подогрева и термической обработки крупногабаритных изделий, к возрастанию внутренних напряжений, деформации.
На промышленном производстве оптимизацию технологии производят за счёт замены чистого аргона на готовые инертные газовые смеси, состоящие из гелия и аргона. Применение готовых дорогих газовых смесей позволяет экономить присадочный материал, увеличить скорость сварки, ограничить, но не исключить реакции, связанные с повреждением поверхности детали, уменьшить время на предварительный подогрев [2, 3].
Проблемы получения качественных швов конструкции в процессе сварки алюминиевых сплавов стыковых соединений пытаются решить разными способами.
Ситниковым Б. В. в научной статье описан один из методов улучшения технологии ТИГ. В его работе приведены сведения о влиянии температуры предварительного подогрева на поперечные деформации металла в зоне шва при аргонодуговой сварке пластин из алюминиевого сплава АМг6, которые могут быть использованы для выбора оптимальных режимов сварки, позволяющих повысить стойкость сварных соединений против образования кристаллизационных трещин. Этот метод позволяет увеличить скорость сварки до 48м/ч [9]. Внедрение же метода на производстве сталкивается с рядом проблем. Это дополнительные затраты на подготовку к производству, которые диктуются неизбежным использованием дорогостоящей печки (для нагрева детали). Возникает нетехнологичность производства, которая связана с тем, что темп скорости остывания крупногабаритных деталей после нагрева опережает темп скорости ручной сварки. Сварщик не успевает завершить сварку и деталь необходимо повторно нагревать. В результате данный метод эффективен только на сборках небольших размеров [2, 3, 4].
Фундаментальные исследования осуществлены Зубриенко Г. Л., Галкиным Н. П., Гапоновым Д. Н. в 1972 году по снижению дефектов при ар-гоно-дуговой сварке алюминиевых сплавов за счет прерывистой подачи присадочной проволоки [7]. Применение на практике сталкивается с проблемой отсутствия разработанного оснащения для подачи проволоки.
Грушко О. Е., Овчинников В. В., Гуреева М. А. предложили возможность улучшить технологичность прочности металла шва выполнением наложения импульсов тока на дугу. В результате исследований число дефектов уменьшается до 32 раз. Из работ Петрова А. В., Славина Г. А., Тро-хинской Н. М., Рязанцева В. И., Лопаткина А. И., Багалис И. А., Ищенко А. Я., Гринюк А. А. известны новые подходы к особенностям процессам импульсно-дуговой сварки и сварки пульсирующей дугой. Представляет интерес способ с наложением импульсов тока низкой частоты в паузе. В результате измельчается зерно, снижается чувствительность к трещинам, возможно исключить прожоги, частично деформацию конструкции, неточность сборки при сварке стыковых соединений алюминиевого сплава АМг6. Для внедрения в производство вышеописанных технологий и методов улучшения качества сварных швов стыковых соединений алюминиевых сплавов, необходимо провести разработку и выпуск соответствующего оборудования, практического решения эти технологии пока не получили.
На Украине Шейко П. П., Павшук В. М., Па-тон Б. Е., Корицкий В. А. с 1992 года, Лабур Т. М., Жерносеков А. М. , Яворская М. Р., Пашуля М. П. с 2013года активно занимаются исследованиями
в направлении, связанном с изменениями формы импульса сварочного тока при сварке плавящимся электродом. В результате исследований разработан источник с регулируемой формой сварочного тока в ИЭС им. Е.О. Патона, который можно эффективно применять для сварки алюминиевых сплавов. Источник так и не выпускается в серийном производстве. Показатели прочности металла шва исследуемых сварных соединений из алюминиевых сплавов оказались выше на 10-15%, чем выполненные на источнике Fronius TPS-450 [8].
Шиганов И. Н., Мисюров А. И., Трушни-ков А. Н., Холопов А. А., Блинков В. В. для решения трудностей сварки алюминиевых сплавов разработали технологию гибридной лазерно-ду-говой сварки алюминиевого сплава 1424, результаты представили в статье 2016 года [10]. Реализация сталкивается с проблемой покупки двух установок - дорогостоящего лазерного оборудования и современного источника для дуговой сварки. Недостатки лазерной обработки алюминиевого сплава - охрупчивание зоны сплавления и пороговый характер с критическим значением плотности мощности начала проплавления [10].
Проблемы, существующие для традиционного дугового процесса, до настоящего времени могут быть сняты с помощью применения процесса дуговой сварки с переносом металла не через дугу, а с абсолютно новым методом отрыва капель расплавленного металла электродной проволоки [2, 3, 4, 5].
Процесс холодного переноса металла в сварке плавящимся электродом - совершенно новая технология сварки, которая основана на контролируемом низком тепловложении, что принципиально отличает её от технологии дуговой сварки вольфрамовым электродом. Автоматизированная сварка плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель - это управляемый процесс дуговой сварки с переносом металла методом отрыва капель расплавленного металла электродной проволоки [6]. При данном процессе проволока к изделию подается автоматически до возникновения короткого замыкания, в момент которого проволока отводится обратно до момента отделения капли расплавленного металла. После отделения капли проволока подается снова вперед по направлению к изделию и процесс повторяется. Частота колебаний проволоки составляет до 70 Гц. Тепловой эффект перемещения постоянно меняется с горячего на холодный и наоборот. В результате средняя температура значительно ниже, чем в процессе дуговой сварки неплавящимся электродом. Система управления процессом моментально реагирует на короткие замыкания при перемещении проволоки следующим образом. В этот момент происходит отделение капли посредством отведения проволоки. В целом сокращается время подвода тепла в сварной шов. Процесс холодного переноса ка-
пель характерен отсутствием брызг и стабильным горением дуги, меньшим тепловложением и про-плавлением. В результате при сварке перемешивание наплавленного слоя и основного металла значительно меньше, чем при дуговой сварке не-плавящимся электродом [6]. Это гарантирует сокращение времени и снижение расхода присадочного металла в два раза.
Промышленный робот для современной технологии сварки плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель - наиболее эффективное автоматизированное решение на базе сварочной системы для сварки стыковых соединений по сложному теоретическому контуру [6].
Исследование новой технологии проводилось методом сравнительного анализа выполненных экспериментальных работ на источнике Fronius TPS 5000 CMT MV.
Сравнительным испытаниям подвергались стыковые сварные соединения образцов размером 300*300 мм, выполненные двумя способами сварки: плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель и неплавящимся вольфрамовым электродом. Свариваемые пластины 150*300 мм сплава АМг6 были взяты из одной партии толщиной 2 мм. Стыки собирались на стенде и закреплялись пневмоприжимами. Перед сваркой пластины обрабатывались по существующей на предприятии технологии. Сварка стыков производилась без разделки. Проводился химанализ свариваемых пластин и сварочной проволоки [3, 4].
Сварку на образцах выполняли на оптимальных для каждого способа режимах, выбранных исходя из условий хорошей газовой защиты, стабильности процесса, равномерного заполнения формирующей подкладки и формирования валика шва. При сварке десяти образцов, выполненных дуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом, поддерживался режим: напряжение дуги ид=14 В, скорость сварки ^в=8м/мин, расход защитного газа (аргон) Q=8л/мин, сила тока 1св=80-85А, источник питания ТИР 315, толщина вольфрамового электрода 3 мм, сварочная проволока св.АМг6 2 мм. При сварке десяти образцов, выполненных новым методом , поддерживался режим: напряжение дуги ид=14,5 В, скорость сварки ^в=37м/мин, расход защитного газа (аргон) Q=10 л/мин, сила тока 1св=90-95А, источник питания Fronius TPS 5000 CMT MV, сварочная проволока св. АМг6 1,2 мм [3, 4].
Производили механические испытания всех сварных соединений и основного металла. Основной металл испытывали вдоль проката. По каждому способу сварки исследовали макроструктуру соединения, микроструктуру шва, зоны сплавления швов между собой, переходной зоны сплавления швов с основным металлом, микроструктуру основного металла.
Для выявления и оценки факторов, непосредственное влияние которых определяет свойства и работоспособность сварного соединения, проводили исследования макроструктуры, микропористости, особенностей кристаллизации, микроструктуры, химсостава. Изучалась разновидность и количество дефектов в сварном шве [3, 4].
Химический анализ основного материала на содержание Mg показал 5,8% в образце при ручной дуговой сварке неплавящимся электродом, 5,92% - при автоматизированной сварке плавящимся электродом.
Образцы на механические испытания изготавливались согласно ГОСТ 6996-66. Проведено механические испытания основного металла на временное сопротивление разрыву. По результатам испытаний расчёт средних значений показал, что допускаемый процент основного материала на 0,9% ближе к свойствам основного металла сварного шва при сварке методом холодного переноса капель [3, 4].
Для проведения металлографии, применяли сканирующий электронный микроскоп JCM-6000, который находится в Аэрокосмическом институте ОГУ Данное оборудование приобретено по гранту
«Программа развития системы подготовки кадров для оборонно-промышленного комплекса в образовательных организациях высшего образования, подведомственных Министерству образования и науки Российской Федерации», реализуемого в ОГУ [3, 4].
С целью исследования плотности сварных соединений, образцы травили в реактиве состава: 72 см 3 HCl, 24 см 3 HNO3, 4см 3 HF (40%), полировали на сукне, смоченном водной смесью окиси хрома и после этого полировали в уксуснохлор-ном электролите, позволяющем выявить мелкие поры [3, 4].
Типичная макроструктура сварных соединений сплава АМг6 при ручной дуговой сварке неплавя-щимся электродом и плавящимся электродом с применением процесса холодного переноса капель представлена на рисунке 1.
Наибольшей плотностью из макрошлифов образцов обладает образец, сваренный с применением метода холодного переноса капель. В образцах сваренных ручной дуговой сваркой неплавящимся электродом обнаружены кроме пор, окисные плены [3, 4].
Рисунок 1. Макрошлифы образцов, выполненного дуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом (слева), выполненного сваркой плавящимся электродом с процессом холодного переноса
капель (справа)
Анализируя полученные результаты можно заключить, что при сварке плавящимся электродом с применением нового метода с минимальным перегревом металла капель и ванны, наблюдается более мелкозернистая структура металла шва, значительно меньшая пористость и микропористость. Это вызвано минимальным перегревом и, соответственно, определяемым им меньшим временем кристаллизации металла шва [3, 4, 5]. Выявленные факторы существенным образом влияют на повышение прочностных свойств и плотности металла шва и стыкового соединения в целом.
Подготовка и травление микрошлифов сварных соединений образцов сплава АМг6 осуществляли по принятой методике изготовления алюминиевых
шлифов в уксуснохлорном электролите. Микрошлифы сварных соединений лучших образцов представлены на рисунке 2.
Микроструктура основного металла представляет собой твёрдый раствор и мелкие включения вторичных фаз различной формы и травимости. По мере приближения к шву размеры некоторых ин-терметаллидов увеличиваются, изменяется также характер их распределения. Большая часть интер-металлидных включений располагается по границам частично рекристаллизованных зёрен. Следует отметить, что по месту расположения включений и рядом с ними обнаруживаются отдельные микропоры круглой или вытянутой формы размером до 0,01 мм [3, 4].
Микроструктура шва неплавящимся и плавящимся электродом характеризуется дисперсными включениями вторичных фаз на фоне твёрдого раствора. Структура сварного образца плавящимся электродом на рисунке 2 справа более плотная, дефектов не обнаруживается. В шве, сваренным дуговой сваркой неплавящимся электродом выявляются мелкие микропоры. Микроструктуры сварных соединений сплава АМг6 при сварке выполненными разными способами мало отли-
чаются. В структуре соединений неплавящимся электродом на рисунке 2 слева обнаруживается большее количество микропор и микрорыхлот в зоне сплавления в участках скопления вторичных фаз, вдоль полос деформации свариваемого металла, а также окисные плены. Сравнительные исследования микроструктуры показывают, что количество микропор и микрорыхлот меньше в образцах, сваренных плавящимся электродом с применением холодного переноса капель [3, 4].
-V, 50 |лп
ЖаИ-уас. ЭЕ1 РС-ЫаИ 15 кУ х 500 1/19/2016 003032
Рисунок 2. Микрошлиф сварного соединения образца, выполненного дуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом (слева), и микрошлиф образца, выполненного сваркой плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель (справа)
Необходимо отметить, что повышением механических свойств и качества сварных швов с применением холодного переноса капель, является уменьшение микропористости и микрорыхлот, измельчение структуры метала шва и повышение её однородности, уменьшение выгорания легирующих элементов [3, 4].
Проявление указанных факторов вызвано уменьшением перегрева металла капель и сварочной ванны. Соответственно, уменьшается время пребывания металла при высоких температурах и время кристаллизации сварочной ванны. В таких условиях менее вероятно образование дефектов, что и подтверждает проведенное исследование [3, 4].
В рамках вышеописанного исследования, выяснено что, при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом холодным переносом капель обеспечивается стабильные свойства и качество сварных стыковых соединений толщиной 2,0 мм не ниже уровня, достигаемого малопроизводительным и дорогим способом ручной дуговой сварки неплавящимся электродом [2, 3 ,4, 5]. Это вызвано меньшим перегревом металла капель и сварочной ванны за счет оптимального программирования процессов плавления и переноса электродного металла. Уменьшение перегрева
приводит к уменьшению пористости металла шва, времени кристаллизации, выгорания легирующих элементов, измельчению структуры металла шва. Всё это вызывает улучшение его состава и свойств [3, 4, 5].
Результаты расчета технико-экономических показателей подтвердили эффективность и экономическую целесообразность новой технологии. Анализ сварки плавящимся электродом с процессом холодного переноса капель показал 100% исключение термокалибровки, снижение присадочного материала на 59%, снижение трудоёмкости на 78% за счёт увеличения скорости сварки в 4,6 раза до 37 м/мин, сокращение продолжительности сварочного процесса на 20% [5].
В результате исследования высокоэффективного способа сварки на предприятии машиностроения установлено, что его использование для конструкций толщиной от 0,3 мм до 2,5 мм решит многие технологические проблемы. Применение роботизированного комплекса в новом методе снизит уровень сварочных деформаций, внутренних напряжений, коробления контура, исключит термокалибровку, увеличит скорость сварки, что позволит улучшить качество сборки конструкций, повысить производительность и эффективность в целом.
Литература
1. Акулов, А.И. Технология и оборудование сварки плавлением / А.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.П. Демянцевич. - М. : Машиностроение, 1977. - 432 с.
2. Аржанникова, И.Е. Применение новой технологии сварки стыковых соединений авиационной техники / И.Е. Аржанникова // Сборник школы-семинара. - Оренбург: ОО ИПК «Университет», 2015. - С.9 - 14
3. Аржанникова, И.Е. Исследование возможности применения перспективной технологии / И.Е.Аржанникова, Н.З.Султанов // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры материалы Всероссийской научно-методической конференции ; Оренбургский гос.ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2015. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:/Л.120-bal.m/voda/12111/mdex.html
4. Аржанникова, И.Е. Метод холодного переноса технологии сварки плавящимся электродом стыковых соединений алюминиевых сплавов элементов авиационного кластера / И.Е.Аржанникова, Н.З.Султанов // Сборник материалов Международной научной конференции Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации. - Оренбург: ОО ИПК «Университет», 2015. - С.4 - 9.
5. Аржанникова, И.Е. Рационализация процесса по технологии сварки стыковых соединений алюминиевых сплавов элементов авиационного кластера / И.Е. Аржанникова // КИП в ИПИ-технологии: материалы VII Всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург, 2015. - С.7 - 10.
6. Все о сварке, сварочных технологиях и оборудовании Weldingsite: [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://weldingsite.com.ua/
7. Зубриенко, Г.Л. Аргоно-дуговая сварка алюминиевых сплавов с прерывистой подачей присадочной проволоки / Г.Л.Зубриенко, Н.П.Галкин, Д.Н.Гапонов. // Сварочное производство. - 1972. - №4, С.46 - 47.
8. Лабур, Т.М. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом алюминиевых сплавов с регулируемой формой импульсов / Т.М. Лабур, А.М.Жерносеков, Яворская М.Р., М.П. Пашуля // Сварочное производство. - 2013. - №11, С.3 - 7
9. Ситников, Б.В. Влияние предварительного подогрева на поперечные деформации металла в зоне шва при аргонодуговой сварке пластин из алюминиевого сплава АМГ6 / Б.В. Ситников // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2011. - №9. - С.67 - 71
10. Шиганов, И.Н., Гибридная лазерно-дуговая сварка алюминиевых сплавов / И.Н.Шиганов, А.И.Мисюров, А.Н.Трушников // Сварочное производство. - 2016. - №1, С.26 - 29
