CC BY
8ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
energy-saving technologies, materials,
SYSTEMS, AND INSTRuMENTS
УДК 621.791.01
экспериментальная оценка энергоэффективности технологии дуговой сварки в защитном газе плавящимся электродом с управляемым тепловложением
И.В. Смирнов, А.И. Смирнова, Д.И. Архипкин, А.В. Мартюшев
ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 445667, Самарская обл., г. Тольятти, ул.
Белорусская, 14, тел./факс (8482) 53-92-45, моб. 8-9372-15-32-87 e-mail: anna.211@rambler.ru Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение №14.В37.21.1501
В статье приведена экспериментальная оценка энергоэффективности технологии дуговой сварки в защитном газе плавящимся электродом с управляемым тепловложением.
Проведённые экспериментальные исследования позволили обоснованно показать, что применение принципа пространственно-параметрического управления тепловложением для способа сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа позволяет сократить затраты электрической энергии, идущей на формирование единицы площади поперечного сечения сварочного шва, по сравнению с традиционным процессом сварки плавящимся электродом. Средняя величина снижения затрат энергии на формирование единицы площади сечения шва составляет 35%, а максимальная величина достигается на частотах коммутации тока 0,2-0,3 Гц и составляет 83%. Полученные результаты открывают широкие возможности разработки энергоэффективных технологий сварки для процесса сварки плавящимся электродом в среде защитного газа.
Ключевые слова: дуговая сварка плавящимся электродом, энергоэффективность, управление тепловложением.
experimental assessment of energy efficiency technologies arc welding in inert gas consumable electrode with controlled heat input
I.V. Smirnov, A.I. Smirnova, D.I. Arhipkin, A.V. Martyushev
Togliatti State University
The article describes the experimental evaluation of energy efficiency technologies arc welding in inert gas consumable electrode with controlled heat input.
The experimental studies have reasonably show that the application of the principle of space-parametric control heat input for welding with consumable electrode in carbon dioxide environment reduces the cost of electricity going to form a unit area of the cross-sectional weld, compared to the traditional process of welding consumable electrode. The average value of reducing energy consumption per unit area on the formation of the joint section is 35%, and the maximum value is attained at switching frequencies of 0.2-0.3 Hz and a current of 83%. These results open up opportunities development of energy efficient technologies for welding consumable electrode welding in inert gas.
Keywords: arc welding, power efficiency, control of heat input.
о >3
ÜJ б 3 3
ъ о
3 &
с
>3
0
1
I £
I
0
>3 3
5
-о §
£ с ъ
m 3 >3
3
1
ъ
0
6
1
ÜJ
- с :
'/Лч V)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №04/2 (124) 2013 IIC5? [~| fj\
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013 P P J/ n \
введение
Снижение затрат электроэнергии при реализации различных технологических процессов в промышленности является одной из приоритетных задач развития науки и техники.
В работах [1-3] представлена энергоэффективная технология аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом, основанная на применении принципа пространственно-параметрического управления тепловложением. Результаты исследований показывают, что применение данной технологии позволяет повысить эффективность ввода тепла сварочной дуги в свариваемое изделие, в среднем, на 61% в сравнении с традиционным способом аргонодуговой сварки, что позволяет снизить затраты электроэнергии (энергопотребление) на образование единицы площади сварного соединения, в среднем, на 36%. Данная технология прошла опытную апробацию и уже внедрена в производство.
Однако на промышленных предприятиях помимо сварки неплавящимся вольфрамовым электродом, ^ большой объём применения находят способы дуговой сварки в защитном газе плавящимся металлическим электродом. В работе [4] представлены результаты исследования возможности применения принципа пространственно-параметрического управления тепловложением для процесса сварки в защитном газе плавящимся электродом. Результаты исследований показывают, что принцип управления пространственным положением сварочной дуги за счёт изменения параметров её собственного магнитного поля может быть успешно применён к процессу сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа, хоть и с меньшей эффективностью, чем для сварки неплавящимся электродом.
Следующим этапом работы, которому и посвящена данная публикация, является экспериментальная оценка энергоэффективности процесса дуговой сварки в защитном газе плавящимся электродом, реализуемого по технологии сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением (сварка с управляемым тепловложением).
При сравнительной оценке энергоэффективности процессов и условий сварки, в качестве критерия энергоэффективности будем принимать затраты электрической энергии, идущие на формирование единицы площади сечения сварного шва. При сохранении постоянной электрической, и соответственно, тепловой мощности сварочной дуги, динамику изменения величины затрат энергии на формирование единицы площади сечения шва можно оценивать по фактическим площадям поперечного сечения сварных соединений, получаемых с применением сравниваемых технологических процессов сварки.
В проводимом исследовании сравнению показателей энергоэффективности подвергались два технологических процесса сварки:
1. Традиционный процесс автоматической сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок;
2. Процесс автоматической сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом по технологии сварки с управляемым тепловложением (с пространственно-параметрическим управлением тепловложением) корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок.
Поскольку наибольшее применение в современной промышленности находят углеродистые и низколегированные стали, объём экспериментальных исследований был ограничен именно этими материалами, как наиболее широко применяемыми в промышленности.
В качестве свариваемых элементов в исследовании использованы стальные пластины размером 150x400x12 мм. Материал пластин - сталь СтЗсп. Траектория перемещения горелки - прямолинейная. Каждая кромка соединяемых пластин имеет разделку, соответствующую типу соединения С17 по ГОСТ 14771-76. Используемые сварочные материалы: сварочная проволока марки Св-08Г2С диаметром 1,2 мм, защитный газ - углекислый газ технический по ГОСТ 8050. Зазор и притупление кромки для каждого базового режима сварки приведён в таблице 1.
Таблица 1 - Базовые режимы сварки, обеспечивающие переход сварочного процесса в характеристические состояния для электродной проволоки диметром 1,2 мм.
Table 1 - Basic modes of welding, welding provide the transition process in the characteristic condition for the electrode wire diameter of 1.2 mm.
№ режима Сила сварочного тока, А Напряжение дуги, В Скорость сварки, мм/с Скорость подачи проволоки, см/с Положение дуги Параметры разделки и сборки кромок
1 70 22,3 2,15 1,5 1 Зазор 2 мм, без притупления, угол разделки кромок 30°
2 70 22,3 2,41 1,5 2
3 150 18,4 3,6 3,8 1 Зазор 1 мм, без притупления, угол разделки кромок 20°
4 150 18,4 4,3 3,8 2
5 293 41,3 7,5 8 1 Без зазора, притупление Змм, угол разделки кромок 20°
6 293 41,3 7,9 8 2
ШШ\
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/2 (124) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
69
70 А
150 А
293 А
60,0 и
40,0 ^
0,2 0,3 0,5 1,0 2,0
i г
О 0,2 0,3 0,5 1,0 2,0
60,0 37,8 47,4 42,6 41.8 49,8 _37,0
40,0 20,0 -
i 1 1 ■
0 0,2 0,3 0,5 1,0 2,0
а)
Частота коммутации сварочного тока между каналами токоподвода, Гц
б)
70 А 150 А
в)
293 А
60
50
40
30
20 14,92 15,2 15,8 15,5 133 11,2
10
0 0,2 0,3 0,5 1,0 2,0
60 -
40 24,07 30,9 28,7 31,0 29,0 30,9
20 • 1 Ш
0 0,2 0,3 0,5 1,0 2,0
1 гтт
Частота коммутации сварочного тока между каналами токоподвода, Гц
д)
е)
Рисунок 1 - Величина площади поперечного сечения шва (мм2) в зависимости от частоты коммутации тока между каналами токоподвода, Гц для режимов сварки, соответствующих силам сварочного тока 70, 150 и 293А при сварке в среде углекислого газа проволокой диаметром 1,2 мм (а, б, в - для положения сварочной дуги в верхней точке сварочной ванны (положение №1); г, д, е - для положения сварочной дуги в нижней точке сварочной ванны (положение №2))
Fig. 1. The value of cross-sectional area of the seam (mm2), depending on the switching frequency current between the current supply channels, Hz for welding modes, corresponding forces welding current 70, 150 and 293A welding in carbon dioxide environment wire diameter of 1.2 mm (а, б, в - for the position of the arc at the top of the weld pool (position number 1), г, д, е - for the position of the arc at the lowest point of the weld pool (position number 2))
Учитывая специфику процесса сварки в защитном газе плавящимся электродом, исследования выполнялись для трёх характеристических состояний сварочной системы:
1. Сварка с короткими замыканиями дугового промежутка, когда длина дуги циклически изменяется от максимальной, до её полного исчезновения (режим 1, 2 табл. 1).
2. Капельный перенос, когда дуговой разряд (сварочная дуга) существует всегда, но происходит циклическое изменение длины дуги и силы тока. Величина изменений длины дуги будет определяться размерами капель (режим 3, 4 табл. 1).
3. Мелкокапельный или струйный перенос, когда дуга существует всегда, с практически постоянной длиной дуги и стабильным значением сварочного тока (режим 5, 6 табл. 1).
Для каждого из трёх состояний сварочной системы исследования проводились для двух крайних положений пятна нагрева сварочной дуги на поверхности сварочной ванны [5]:
1. Сварочная дуга расположена в верхней точке сварочной ванны (горит в условном центре сварочной ванны) - положение дуги № 1 (см.табл. 1);
2. Сварочная дуга расположена в нижней точке сварочной ванны и горит частично на сварочную ванну, частично на свариваемые кромки - положение дуги № 2 (см. табл. 1).
Для обеспечения перехода сварочной системы во все исследуемые состояния в отношении характера каплепереноса и положения сварочной дуги на поверхности сварочной ванны эксперименты проводились на базовых режимах сварки, отражённых в таблице 1.
Для каждого из базовых режимов частоту коммутации тока между двумя каналами токоподвода изменяли от 0 Гц (традиционный процесс сварки), и далее из ряда: 0,2; 0,3; 0,5; 1,0 и 2,0 Гц.
В результате проведения экспериментов были получены 36 сварных соединений. Из каждого соединения, в разных сечениях по длине шва, было вырезано по два макрошлифа для определения размеров и формы поперечного сечения шва.
Результат определения величины площадей поперечного сечения шва и динамика изменения их размеров представлены в виде наглядных диаграмм на рисунке 1.
Для примера, макрошлифы сварных соединений, выполненных на режиме №6 по таблице 1 (ток 293 А) плавящимся электродом диаметром 1,2 мм в среде углекислого газа при положении сварочной дуги в нижней точке сварочной ванны приведены на рисунке 2.
В результате обработки экспериментальных данных были получены графики относительного изменения площади поперечного сечения сварных швов в зависимости от частоты коммутации сварочного тока между каналами токоподвода для разных режимов сварки. На рисунке 3 представлен график относительного изменения площади поперечного сечении шва в зависимости от частоты коммутации сварочного тока между каналами токоподвода при расположении сварочной дуги в верхней точке на поверхности сварочной ванны (положение №1, режимы 1, 3 и 5 по табл. 1). На рисунке 4 представлен график относительного изменения площади поперечного сечении шва в зависимости от частоты коммутации сварочного тока между каналами токоподвода при расположении сварочной дуги в нижней точке на поверхности сварочной ванны (положение №2, режимы 2, 4 и 6 по табл. 1).
о >3
ÜJ б 3 3
ъ о
3 &
с
>3
0
1
I £
I
0
>3 3
5
-о §
£ с ъ
m 3 >3
3
1
ъ
0
6
1
ÜJ
.и,
о''.
с
'■У
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №04/2 (124) 2013 [~|([c? [~| f~[\ f^r^
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013 I |r- ),' )! n\ ^
лО,
о и
- С
'А' 'и1
ai о с
£
■О .о с си а
о ч=
с
.CU и
о о
з:
СЙ
.с
.in Ql
15 с .<2 а с
г) 0,5 Гц
д) 1,0 Гц
е) 2,0 Гц
Рисунок 2 - Макрошлифы сварных соединений выполненных на режиме №6 по таблице 1 (ток 293 А) плавящимся электродом диаметром 1,2 мм в среде углекислого газа при положении сварочной дуги в нижней точке сварочной ванны (а - частота коммутации 0 Гц - традиционный способ сварки; б - частота коммутации 0,2 Гц; в - частота коммутации 0,3 Гц; г - частота коммутации 0,5 Гц; д - частота коммутации 1,0 Гц; е - частота коммутации 2,0 Гц)
Fig.2. Macrosection welds made on the mode number 6 on Table 1 (current 293 A) consumable electrode diameter of 1.2 mm
in carbon dioxide environment at the position of the arc at the lowest point of the weld pool (a - 0 Hz switching frequency - the traditional method ofwelding, б - switching frequency of 0.2 Hz, в - the switching frequency is 0.3 Hz, г - the switching frequency of 0.5 Hz, and д - 1.0 Hz switching frequency, е - switching frequency is 2.0 Hz)
выводы и ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ графиков, представленных на рисунках 3 и 4 показывает, что для процесса дуговой сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка (в нашем случае режимы на токах 70А), когда длина дуги циклически изменяет от максимальной до её полного исчезновения, применение принципов пространственно-параметрического управления тепловложением практически всегда приводит к уменьшению площади сечения шва, т.е. к увеличению затрат энергии на образование единицы площади поперечного сечения шва.
Для объяснения результатов исследований необходимо обратиться к существующим моделям источников тепла при дуговой сварке. При сварке плавящимся электродом источник тепла представляется состоящим из двух составных частей [6]: часть тепловой энергии вводится в изделие тепловым потоком катодного пятна дуги; часть тепла вводится в сварочную ванну в виде теплового потока от капель электродного металла.
При сварке с короткими замыканиями преобладающую роль в переносе тепла будет иметь перенос тепла в сварочную ванну каплями электродного металла. Поскольку электрическая мощность, подводимая к дуговому промежутку, остаётся постоянной, то уменьшение сечения сварного шва может быть вызвано только изменением характера поведения сварочной дуги в пространстве. При сварке с короткими замыканиями длина сварочной дуги постоянно изменяется от максимальной до нуля. При этом средняя длина сварочной
дуги за цикл перехода капли не превышает нескольких десятых долей диаметра сварочной проволоки. В такой ситуации коммутация тока между двумя каналами подвода тока к изделию приводит к блужданию дуги по поверхности как изделия, так и капли электродного металла. При этом, вероятнее всего, и без того небольшой тепловой поток катодного пятна дуги ещё больше рассредоточивается. При сварке с короткими замыканиями, учитывая малую длину дуги, можно утверждать, что даже при отклонении дуги на угол до 30 град. [4] дуга всегда будет воздействовать на сварочную ванну. Учитывая указанную специфику процесса сварки с короткими замыканиями, следует отметить, что применение для такого процесса принципов пространственно-параметрического управления тепловложением приводит к уменьшению эффективности ввода тепла дуги в изделие и снижению показателей энергоэффективности, по сравнению с традиционным процессом сварки.
На режимах сварки с капельным переносом (в нашем случае сила тока 150А), а также мелкокапельным и струйным переносом (в нашем случае сила тока 293А) во всех исследованных случаях наблюдается увеличение площади сечения шва, т.е. снижение затрат энергии на формирование единицы площади сечения сварного шва.
На режимах сварки с капельным переносом величина увеличения площади поперечного сечения шва, в среднем, в два раза меньше аналогичного показателя для режимов с мелкокапельным или струйным переносом (см. рис. 3 и 4). Подобные результаты можно объяснить тем, что при сварке на режимах с мелкокапельным или
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/2 (124) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 о.о -10,0 -20,0 -30,0 -40,0 -50,0
A ■ 293 A
1 1
150 A ■ A 1 1
0 5 1 5 2
•
♦ ♦ _____—-
70 A
* ♦ - >
►
♦ 70А 5 В150А 29 ЗА
Частота коммутации тока, Гц
Рисунок 3 - График изменения (приращения) площади поперечного сечении шва (% от площади шва при традиционной сварке) в зависимости от частоты коммутации
сварочного тока между каналами токоподвода при расположении сварочной дуги в верхней точке на поверхности сварочной ванны (положение №1, режимы 1, 3 и 5 по табл. 1)
Fig.3. Schedule changes (increments) of the cross-section
of the seam (% of the area under the traditional seam welding), depending on the switching frequency welding current between the current supply channels at the location of the arc at the highest point on the surface of the weld pool (position number 1, modes 1, 3 and 5 on Table 1.)
струйным переносом электродного м еталла средняя длина сварочной дуги будет больше, чем на режимах с капельным переносом, что, соответственно, приводит к большему линейному смещению катодного пятна дуги с поверхности сварочной ванны на свариваемые кромки. Также следует отметить, что режимы с мелкокапельным или струйным переносом электродного металла достигаются при высоких значениях сварочного тока (выше критического), что способствует у величению угла отклонения сварочной дуги (в среднем, до 40 град. [4]).
На режимах сварки, характеризующихся расположением сварочной дуги в верхней точке сварочной ванны количественные показатели увеличения эффективности ввода тепла в изделие до 3 раз ниже, чем на режимах сварки, характеризующихся расположением сварочной дуги в нижней точке сварочной ванны. Данный результат хорошо согласуется с данными работы [4], и объясняется тем, что при сварке на режимах, характеризующихся расположением сварочной дуги в верхней точке сварочной ванны, объём жидкого металла сварочной ванны под дугой достаточно велик, и отклонение катодного пятна дуги от центра ванны в сторону свариваемой кромки всё равно приводит к тому, что большая часть тепла катодного пятна вводится в жидкий металл сварочной ванны. При сварке на режимах, характеризующихся расположением сварочной дуги в нижней точке сварочной ванны объём жидкого металла под дугой существенно меньше. Это приводит к тому, что при наличии отклонения дуги большая часть катодного пятна смещается с поверхности сварочной ванны на относительно холодные твердые свариваемые кромки, что за счёт разницы теплопроводности перегретого жидкого металла сварочной ванны и относительно холодного
металла свариваемых кромок позволяет повысить эффективность ввода тепловой энергии в свариваемые кромки.
выводы:
1. Применение принципа пространственно-параметрического управления тепловложением для процесса сварки плавящимся электродом с крупнокапельным переносом и короткими замыканиями приводит к уменьшению эффективности ввода тепла дуги в изделие и снижению показателей энергоэффективности по сравнению с традиционным процессом сварки.
2. Наибольшая эффективность ввода тепла дуги в изделие, за счёт применения принципа пространственно-параметрического управления тепловложением, наблюдается для режимов сварки плавящимся электродом с мелкокапельным или струйным переносом электродного металла. В этом случае затраты энергии на формирование единицы площади сечения шва сокращаются в среднем на 35% по сравнению с традиционным процессом сварки.
3. Минимальные значения затрат энергии на формирование единицы площади сечения шва наблюдаются на режимах сварки с управляемым тепловложением при частотах коммутации тока между каналами токоподвода в пределах 0,2 - 0,3 Гц.
4. Наиболее эффективными, с точки зрения затрат энергии на формирование единицы площади сечения шва, являются режимы сварки, характеризующиеся расположением сварочной дуги в нижней точке сварочной ванны. При этом, в сравнении с режимами,
90,0 30,0 70,0 50,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10.0 0,0 -10.0 -20.0 -30.0
л
.v29 3 A
A \
l
■ 1
■r4 II \
1 ► 1
70 A ° 1 2
f*
♦ 70А ■ 150А А293А
Частота коммутации тока, Гц
Рисунок 4 - График изменения (приращения) площади поперечного сечении шва (% от площади шва при традиционной сварке) в зависимости от частоты коммутации
сварочного тока между каналами токоподвода при расположении сварочной дуги в нижней точке на поверхности сварочной ванны (положение №2, режимы 2, 4 и 6 по табл. 1)
Fig.4. Schedule changes (increments) of the cross-section
of the seam (% of the area under the traditional seam welding), depending on the switching frequency welding current between the current supply channels at the location of the arc at the lowest point on the surface of the weld pool (position number 2, Mode 2, 4 and 6 on Table 1.)
о üj б 3 3
ъ о
3 &
с
>3
0
1
I £
I
0
>3 3
5
-о §
£ с ъ
m 3 >3
3
1
ъ
0
6
1
ÜJ
о и
- е
у К- , : У)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №04/2 (124) 2013 [~|([c? [~| f~[\ f^r^
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013 I |r- ),' )! n\ ^
- с :
8 о
£
характеризующимися расположением сварочной дуги в верхней точке сварочной ванны, величина сокращения затрат энергии на формирование единицы площади сечения шва, увеличивается до 3 раз.
заключение
Проведённые экспериментальные исследования позволили обоснованно показать, что применение принципа пространственно-параметрического управления тепловложением для способа сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа позволяет сократить затраты электрической энергии, идущей на формирование единицы площади поперечного сечения сварочного шва, по сравнению с традиционным процессом сварки плавящимся электродом. Средняя величина снижения затрат энергии на формирование единицы площади сечения шва составляет 35%, а максимальная величина достигается на частотах коммутации тока 0,20,3 Гц и составляет 83%. Полученные результаты открывают широкие возможности разработки энергоэффективных технологий сварки для процесса сварки плавящимся электродом в среде защитного газа.
Список литературы
[3] Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Архипкин Д.И. Расчётная оценка энергоэффективности процесса дуговой сварки с управляемым тепловложени-ем // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2012 - №7 - с. 170-174.
[4] Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Архипкин Д.И. Экспериментальные исследования энергоэффективности процесса аргонодуго-вой сварки с управляемым тепловложением // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2012 - №8 - с. 131-136.
[5] Смирнов И.В., Сидоров В.П., Хурин С.А., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Гиля-зев Э.С. Сравнение показателей энергоэффективности традиционного инвертор-ного источника питания для дуговой сварки и инверторного источника питания для сварки с управляемым тепловложением // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2012 - №8 - с. 138-141.
[6] Смирнов И.В., Смирнова А.И., Архипкин Д.И., Мартюшев А.В. Возможности применения энергоэффективной технологии дуговой сварки с управляемым тепловложением для сварки в защитном газе плавящимся электродом // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2012 -№12.
[7] Сидоров В.П., Смирнов И.В. Определение положения дуги на свариваемых кромках при автоматической сварке корня шва плавящимся электродом или непла-вящимся электродом с присадкой //Сварка и контроль-2005: Матер. докл. 24-й НТК. - Челябинск, 2005. - с. 107 - 113.
[8] Судник В.А., Иванов А.В. Математическая модель источника теплоты при дуговой сварке плавящимся электродом в смеси защитных газов. Часть 1. Нормальный процесс // Сварочное производство, 1998-№9 - с. 3 - 9.
8 ■Q
.О С
ÜJ О -С
с
ÜJ
О
3
0
1 Ol .с -с
5
3
а.
"3 с .о
■С
о
ЕЕ
6
с
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/2 (124) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
