CC BY
12ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 26.07.12. Ред. рег. № 1377 The article has entered in publishing office 26.07.12. Ed. reg. No. 1377
УДК 621.791.01
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ
В.П. Сидоров, И.В. Смирнов, А.И. Смирнова, В.Г. Добровольский, Д.И. Архипкин
ООО «Сварочные машины и технологии» 445004, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Толстого, д. 7, оф. 306 Тел./факс: (8482) 42-35-99, 55-62-68, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 28.07.12 Заключение совета экспертов: 30.07.12 Принято к публикации: 31.07.12
В статье приводятся результаты экспериментального сравнения параметров энергоэффективности способа аргоноду-говой сварки с управляемым тепловложением и традиционного процесса аргонодуговой сварки.
Ключевые слова: дуговая сварка, энергоэффективность, управление тепловложением.
EXPERIMENTAL STUDIES OF ENERGY EFFICIENCY TIG WELDING PROCESS
WITH CONTROLLED HEAT INPUT
V.P. Sidorov, I.V. Smirnov, A.I. Smirnova, V.G. Dobrovolsky, D.I. Arhipkin
"Welding Machines and Technologies" Ltd. 7-306 Tolstogo str., Tolyatty, Samara reg., 445004, Russia Tel./fax: (8482) 55-62-68, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru
Referred: 28.07.12 Expertise: 30.07.12 Accepted: 31.07.12
The article presents the results of an experimental comparison of the parameters of energy efficiency TIG welding method with controlled heat input, and the traditional process of TIG welding.
Keywords: arc welding, energy efficiency, management of heat input.
При оценке энергоэффективности нескольких технологических процессов дуговой сварки наиболее важной оценочной сравнительной характеристикой является уровень затрат электроэнергии, расходуемой на образование единицы площади сварного соединения.
В течение последних пяти лет в России был разработан, исследован и внедрен в производство способ аргонодуговой сварки неплавящимся электродом с управляемым тепловложением. Суть предлагаемого способа сварки достаточно подробно описана в работах [1-4]. В работе [5] выполнена теоретическая расчетная оценка энергоэффективности процесса дуговой сварки с управляемым тепловложением. Оценка выполнялась в виде вычислительных экспериментов по разработанным и описанным в работах [2, 3] матема-
тическим моделям процесса автоматической аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом с управляемым тепловложением. В процессе теоретической оценки выполнялся расчет площадей поперечного сечения шва, формирующегося на одинаковых по току и скорости режимах сварки, при использовании двух сравниваемых способов дуговой сварки:
- автоматической аргонодуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепло-вложением корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок;
- традиционной автоматической аргонодуговой сварки (т.е. без поперечных колебаний дуги) корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Анализ полученных в теоретическом исследовании результатов, выполненных путем сравнения площадей провара корня шва, показал, что использование способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением в сравнении с традиционным способом сварки может позволить достигнуть экономии энергии, идущей на формирование единицы площади сечения сварного шва, на величину до 48%.
Непосредственное знание возможного увеличения площади поперечного сечения сварного шва при одинаковых режимах по току и скорости сварки является для производственных целей недостаточно четким показателем эффективности. Наиболее важным практическим результатом является возможность повышения скорости сварки или снижения величины сварочного тока, обеспечивающих получение одинаковых площадей поперечного сечения сварного шва, а также возможность снижения себестоимости технологического процесса сварки и готовой продукции.
Представленные в работе [5] результаты теоретических исследований показали, что использование способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением в сравнении с традиционным способом сварки должно позволять повысить производительность процесса сварки на величину от 20,5% (при токе 50 А) до 75% (при токе 110 А) и добиться аналогичных показателей снижения себестоимости технологического процесса сварки и готовой продукции.
Целью исследований, проводимых в рамках данной работы, явилось экспериментальное исследование параметров энергоэффективности процесса аргонодуго-вой сварки с управляемым тепловложением в сравнении с традиционным способом аргонодуговой сварки.
Для достижения поставленной цели в исследовании поставлены три задачи:
1. Экспериментально оценить эффективность ввода тепла в изделие и величину сокращения затрат электроэнергии на образование единицы площади сварного соединения при применении процессов дуговой сварки с управляемым тепловложением по сравнению с традиционно применяемыми в промышленности способами сварки.
2. Экспериментально оценить величину повышения производительности технологических процессов сварки с управляемым тепловложением по сравнению с существующими технологиями дуговой сварки при формировании одинаковой площади сечения сварного шва.
3. Экспериментально оценить величину снижения энергопотребления технологических процессов сварки с управляемым тепловложением по сравнению с существующими технологиями дуговой сварки при формировании одинаковой площади сечения сварного шва.
Аналогично работе [5] оценке сравнительной эффективности подвергались две технологических сварочных системы:
- традиционная автоматическая аргонодуговая сварка корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок;
- автоматическая аргонодуговая сварка с пространственно-параметрическим управлением тепло-вложением корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок.
Поскольку наибольшее применение в современной промышленности пока находят углеродистые и низколегированные стали, объем экспериментальных исследований был ограничен именно этими материалами как наиболее широко применяемыми в промышленности. В плане толщин исследуемых материалов предложено использовать средние толщины материалов в пределах 7-10 мм (наиболее часто применяемый диапазон свариваемых толщин).
При решении всех трех задач исследования эксперименты проводили в виде процесса сварки двух стальных пластин размером 150x200x7 мм. Материал пластин - сталь СтЗсп. Траектория перемещения горелки - прямолинейная. Каждая кромка соединяемых пластин имеет разделку, соответствующую типу соединения С17 по ГОСТ 14771-76. Зазор в стыке двух пластин равен 0 мм. Сварка выполняется без применения присадочной проволоки.
Для проведения экспериментов первоначально подбирали базовый режим сварки экспериментальных пластин традиционным способом аргонодуговой сварки, при котором наблюдается полное и стабильное проплавление пластин корневым слоем шва. Базовый режим представлен в табл. 1.
Таблица 1
Базовый режим сварки корневого слоя шва пластин толщиной 7 мм без зазора и без подачи присадочной проволоки
Table 1
Basic mode welding the root layer plates of thickness 7 mm with no gap and no wire feed
Сила сварочного тока, А Напряжение дуги,В Скорость сварки, см/с Длина дуги, мм Расход аргона, л/мин Диаметр W электрода, мм Вылет электрода из сопла, мм
150 16,5 0,71 3 8-10 2,3 5-7
Таблица 2
Исследуемые режимы сварки корневого слоя шва пластин толщиной 7 мм без зазора и без подачи
присадочной проволоки
Table 2
The test mode welding the root layer plates of thickness 7 mm with no gap and no wire feed
№ опыта Сила сварочного тока, А Напряжение дуги,В Скорость сварки, см/с Длина дуги, мм Расход аргона, л/мин Диаметр W электрода, мм Вылет электрода из сопла, мм Частота коммутации тока, Гц
1 150 16,5 0,71 3 8-10 2,3 5-7 0
2 150 16,5 0,71 3 8-10 2,3 5-7 0,2
3 150 16,5 0,71 3 8-10 2,3 5-7 0,5
4 150 16,5 0,71 3 8-10 2,3 5-7 1
5 150 16,5 0,71 3 8-10 2,3 5-7 2
Таблица 3
Площадь сечения зоны провара корневого слоя шва на экспериментальных образцах
Table 3
Sectional area of the zone penetration in the root layer of the experimental samples
№ опыта Сила сварочного тока, А Скорость сварки, см/с Длина дуги, мм Частота коммутации тока, Гц Фото шлифа Площадь провара, мм2 Относительное увеличение площади провара, %
1 150 0,71 3 0 15,4 ---
2 150 0,71 3 0,2 32,5 111
3 150 0,71 3 0,5 25,3 64
4 150 0,71 3 1 ... : ~ ш............... 22,1 43,5
5 150 0,71 3 2 19,6 27
При решении первой задачи экспериментальных исследований выполняли сварку экспериментальных образцов на режиме, указанном в табл. 1, но при различных значениях частоты коммутации тока между каналами токоподвода в диапазоне от 0 до 2 Гц. Эксперимент состоял из пяти опытов. При традиционном способе сварки частота коммутации тока равна 0 Гц. Электрод располагают по центру стыка. План проведения эксперимента представлен в табл. 2.
Размеры зоны проплавления сварного шва и ее площадь оценивали по макрошлифам, которые вырезали из каждого сварного соединения. Из каждого сварного соединения вырезали по три макрошлифа, в зонах, равномерно расположенных по длине стыка,
отступая от края пластины с каждой стороны не менее 30 мм.
На каждом макрошлифе была рассчитана площадь провара сварного шва. Результаты расчетов были усреднены для каждого контрольного режима и приводятся в табл. 3.
Для расчета величины электрической энергии, затрачиваемой на формирование элементарной площади поперечного сечения шва, нам необходимо, зная скорость сварки, рассчитать время, за которое сварочная дуга проходит над каждым элементарным сечением вдоль оси шва:
T - 2^эф/Ксв,
(1)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
где: Яэф - эффективный радиус пятна нагрева сварочной дуги, см; ¥св - скорость сварки, см/с.
Зная величину энергии, затрачиваемой на создание элементарного сечения шва, и площадь этого сечения, определяли величину энергии, расходуемой на создание единицы площади сечения сварного шва.
При силе сварочного тока 150 А величина эффективного теплового радиуса пятна нагрева дуги, рассчитанная по методике [6], составляет 0,67 см, а величина КПД процесса составляет 0,75. При этом рассчитанное по формуле (1) время прохождения дугой над элементарным сечением шва составляет 1,88 с.
Используя данные табл. 3, рассчитали величину электрической энергии, затрачиваемой на формирование единицы площади поперечного сечения шва элементов толщиной 7 мм. Результаты расчетов приведены в табл. 4.
При решении второй задачи исследования определяли возможное увеличение скорости сварки одинаковых по типоразмерам образцов изделий на одинаковых режимах по мощности дуги с применением аргонодуговой сварки с управляемым тепловложе-нием и традиционной аргонодуговой сварки.
План проведения эксперимента в виде исследованных режимов сварки представлен в табл. 5.
Таблица 4
Величина электрической энергии, затрачиваемой на формирование единицы площади поперечного сечения шва элементов из углеродистой стали толщиной 7 мм
Table 4
The quantity of electrical energy expended in the formation of unit cross-sectional area of the joint
elements of carbon steel with a thickness of 7 mm
№ п/п Сварочный ток, А Напряжение дуги,В Скорость сварки, см/с Частота коммутации тока, Гц Затраты электроэнергии, Вт-с Площадь сечения, см2 Затраты электроэнергии на единицу площади, (Вт-с)/см2 Повышение эффективности затрат энергии, %
1 150 16,5 0,71 0 3489,75 0,154 22660,71 ---
2 150 16,5 0,71 0,2 3489,75 0,325 10737,69 53
3 150 16,5 0,71 0,5 3489,75 0,253 13793,48 39
4 150 16,5 0,71 1 3489,75 0,221 15790,72 30
5 150 16,5 0,71 2 3489,75 0,196 17804,85 21
Таблица 5
План проведения эксперимента по установлению возможного увеличения скорости сварки
Table 5
Plan of the experiment to establish the possible increase in welding speed
№ опыта Сила сварочного тока, А Напряжение дуги,В Скорость сварки, см/с Длина дуги, мм Расход аргона, л/мин Диаметр W электрода, мм Частота коммутации тока, Гц
1 150 16,5 0,71 3 8 - 10 2,3 0
2 150 16,5 Var 3 8 - 10 2,3 0,2
3 150 16,5 Var 3 8 - 10 2,3 1
4 150 16,5 Var 3 8 - 10 2,3 2
Эксперимент заключается в том, что первоначально на базовом режиме (см. табл. 1) выполняется базовый образец традиционной автоматической аргонодуговой сваркой (см. опыт 1 в табл. 5). В дальнейшем эксперимент заключается в том, чтобы, оставляя мощность дуги постоянной, на режимах опытов 2-4 табл. 5, путем плавного увеличения скорости сварки подобрать такую скорость сварки, при которой бы в сварном соединении получался сварной шов с такими же размерами провара и с
такой же площадью поперечного сечения, как и в базовом режиме. Размеры провара при подборе режимов в каждом опыте оценивали по макрошлифам, вырезанным из готового сварного соединения.
Результаты экспериментов приведены в табл. 6.
Следует отметить, что при частоте коммутации тока между каналами 0,2 Гц опыт был остановлен до того, как была достигнута площадь провара, равная площади в опыте 1. Причиной стало нарушение сплошности формирования сварного шва с образо-
ванием пропусков из-за нарушения условия минимально возможной частоты коммутации тока между отдельными каналами подвода тока к изделию в зависимости от скорости сварки.
При решении третьей задачи исследования определяли возможное снижение затрат электроэнергии при сварке одинаковых по типоразмерам образ-
цов изделий на одинаковых режимах по скорости сварки с применением аргонодуговой сварки с управляемым тепловложением и традиционной ар-гонодуговой сварки.
План проведения эксперимента в виде исследованных режимов сварки представлен в табл. 7.
Таблица 6
Результаты эксперимента по установлению возможного увеличения скорости сварки экспериментальных образцов из пластин толщиной 7 мм
Table 6
Results of the experiment to establish the possible increase in welding speed of the experimental samples of 7 mm thick plates
№ опыта Сила сварочного тока, А (на каждом канале) Напряжение дуги,В Частота коммутации тока, Гц Баланс процесса, % Нахлест, % Ток нахле-ста, А (каждого канала) Скорость сварки при получении одинакового сечения шва, см/с Повышение производительности, %
1 150 16,5 0 0 0 0 0,71 ---
2 150 16,5 0,2 50 25 75 1,15 62
3 150 16,5 1 50 25 75 1,33 87
4 150 16,5 2 50 25 75 1,16 63
Таблица 7
План проведения эксперимента по установлению возможного снижения силы сварочного тока при сварке экспериментальных образцов из пластин толщиной 7 мм
Table 7
Plan of the experiment to establish a possible reduction in the welding current during welding
of experimental samples of 7 mm thick plates
№ Сила свароч- Напряжение Скорость Длина Расход аргона, Диаметр W Частота коммутации
опыта ного тока, А дуги,В сварки, см/с дуги, мм л/мин электрода, мм тока, Гц
1 150 16,5 0,71 3 8-10 2,3 0
2 Var 16,5 0,71 3 8-10 2,3 0,2
3 Var 16,5 0,71 3 8-10 2,3 1
4 Var 16,5 0,71 3 8-10 2,3 2
Таблица 8
Результаты эксперимента по установлению возможного увеличения скорости сварки экспериментальных образцов из пластин толщиной 7 мм
Table 8
Results of the experiment to establish the possible increase in welding speed of the experimental
samples of 7 mm thick plates
№ опыта Скорость сварки, см/с Напряжение дуги,В Частота коммутации тока, Гц Баланс процесса, % Нахлест, % Ток нахлеста, А (каждого канала) Сила свар. тока, А (на каждом канале) при получении одинакового сечения шва Снижение силы тока, % Снижение энерго-потребления,%
1 0,71 16,5 0 0 0 0 150
2 0,71 14,5 0,2 50 25 75 102 32 40
3 0,71 14,2 1 50 25 75 97 36 44
4 0,71 15,2 2 50 25 75 106 30 35
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Эксперимент заключается в том, что первоначально на базовом режиме (см. табл. 1) выполняется базовый образец традиционной автоматической ар-гонодуговой сваркой (см. опыт 1 в табл. 7). В дальнейшем эксперимент заключается в том, чтобы, оставляя скорость сварки постоянной, на режимах опытов 2-4 табл. 7, путем плавного уменьшения силы сварочного тока подобрать такую силу тока дуги, при которой бы в сварном соединении получался сварной шов с такими же размерами провара и с такой же площадью поперечного сечения, как и в базовом режиме. Размеры провара при подборе режимов в каждом опыте оценивали по макрошлифам, вырезанным из готового сварного соединения.
Результаты экспериментов приведены в табл. 8.
Следует отметить, что, как и во втором эксперименте, при частоте коммутации тока между каналами 0,2 Гц опыт был остановлен до того, как была достигнута площадь провара, равная площади в опыте 1. Причиной стало нарушение сплошности формирования сварного шва с образованием пропусков.
Обсуждение результатов
Анализ площадей проплавления корневых швов пластин (табл. 3), выполненных аргонодуговой сваркой с пространственно-параметрическим управлением тепловложением и традиционной аргонодуговой сваркой, показывает, что для всех исследованных режимов по частотам коммутации тока наблюдается увеличение площади поперечного сечения шва от 111 до 27%, что говорит о повышении эффективности ввода тепла в свариваемое изделие. Средняя величина повышения эффективности ввода тепла в изделие, оцененная по размерам зоны провара для экспериментальных образцов, сваренных на токе 150 А, составляет 61%.
Как следует из анализа данных табл. 4, практическая апробация технологии сварки показывает, что применение технологических сварочных систем, основанных на принципе пространственно-параметрического управления тепловложением, позволяет сократить затраты электроэнергии (энергопотребления) на образование единицы площади сварного соединения в среднем на 36%. При этом максимальное сокращение энергозатрат (до 53%) соответствует режимам с минимальной частотой коммутации тока около 0,2 Гц, а минимальное (до 21%) режимам с частотой коммутации тока около 2 Гц.
Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 6, показывает, что применение процессов дуговой сварки с управляемым тепловложением (в оптимальном диапазоне частот коммутации тока до 2 Гц) по сравнению с традиционно применяемыми в промышленности способами сварки позволяет добиться повышения производительности процесса дуговой сварки в среднем на 71%.
Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 8, показывает, что применение процессов ду-
говой сварки с управляемым тепловложением (в оптимальном диапазоне частот коммутации тока до 2 Гц) по сравнению с традиционно применяемыми в промышленности способами сварки позволяет добиться снижения силы сварочного тока при формировании одинаковой площади сечения сварного шва в среднем на 33%. В сочетании с уменьшением напряжения дуги при снижении сварочного тока такой эффект позволяет добиться снижения затрат электрической мощности в среднем на величину 40%.
Выводы
1. Применение аргонодуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложе-нием позволяет повысить эффективность ввода тепла в изделие на токах, близких к 150 А, в среднем на 61%.
2. Наибольшая эффективность передачи тепла от дуги к изделию наблюдается при частоте коммутации около 0,2 Гц, в дальнейшем постепенно уменьшается с ростом частоты коммутации до 2 Гц.
3. Повышение эффективности ввода тепла в изделие при применении процесса аргонодуговой сварки с управляемым тепловложением в сравнении с традиционным способом аргонодуговой сварки позволяет добиться повышения производительности процесса дуговой сварки в среднем на 71% и снижения затрат электрической мощности, расходуемой на формирование одинаковой площади сечения сварного шва, в среднем на 40%.
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования позволили достоверно показать, что применение способа дуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением по сравнению с традиционными технологиями аргонодуговой сварки позволяет более эффективно и полно использовать тепловую энергию сварочной дуги для формирования сварных соединений. Этот эффект может быть использован для повышения производительности технологических процессов сварки, снижения затрат электроэнергии на реализацию технологического процесса сварки изделия, что, естественно, позволит снизить себестоимость технологического процесса сварки и сварного изделия в целом. Полученные результаты позволят перейти к этапу проектирования энергосберегающих технологических процессов дуговой сварки с управляемым тепловло-жением.
Работа выполнена в рамках ГК №16.516.11.6018 по программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
Список литературы
1. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И., Добровольский В.Г., Гилязев Э.С. Исследование процесса управления пространственным положением дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. № 10. С. 64-71.
2. Смирнов И.В., Захаренко А.И. Управление те-пловложением в свариваемые кромки при дуговой сварке неплавящимся электродом // Сварочное производство. 2009. № 12. С. 32-36.
3. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. Специфические аспекты описания процесса автоматической аргонодуговой сварки дугой, отклоняемой собственным магнитным полем // Там же. 2010. № 1. С. 3-6.
4. Патент на изобретение №2401726 Российская Федерация МПК В23К9/08. Способ сварки в защитном газе неплавящимся электродом магнитоуправ-ляемой дугой / Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. // Бюлл. № 29. опубл. 20.10.2010.
5. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Архипкин Д.И. Расчетная оценка энергоэффективности процесса дуговой сварки с управляемым тепло-вложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. № 7. С. 170-174.
6. Судник В.А., Рыбаков А.С. Расчетно-экспериментальные модели движущейся дуги непла-вящегося электрода в аргоне // Сварочное производство. 1990. № 11. С. 32-34.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
