CC BY
85
УДК 621.791.052.7
А.О. Артемов, В.В. Каратыш, В.М. Язовских,
Е.С. Плюснин, С.В. Наумов
Пермский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА НА ФОРМУ И ПРОПЛАВЛЕНИЕ УГЛОВЫХ ШВОВ
Получены уравнения регрессии второго порядка, учитывающие взаимное влияние основных параметров режима сварки на размеры угловых швов. Построены графики зависимости влияния основных параметров режима сварки на геометрию угловых швов.
Современные высокопроизводительные процессы сварки требуют точного технологического режима, тогда как параметры режимов в литературе указаны в основном в таблицах или графиках и имеют рекомендательный характер. Не во всех справочниках указано, какие получаются размеры шва при данных режимах, а если указано, то в основном в пределах определенного интервала. Кроме того, в литературе отсутствуют математические зависимости, отображающие взаимное влияние основных параметров режима сварки на геометрию шва [1, 2]. В связи с этим перед сваркой новой металлоконструкции сначала приходится выполнять сварку большого количества контрольных образцов, чтобы выйти на оптимальный режим, что ведет к затрате временных и материальных ресурсов.
Существующие методы выбора оптимального режима применимы в основном для стыковых швов или наплавки, к угловым швам применение этих методов ограничено, чаще всего просто вводится поправочный коэффициент, что ведет к погрешности расчета [3]. Таким образом, разработка математических моделей, учитывающих взаимное влияние основных параметров режима сварки и размеров угловых швов, имеет важное практическое значение, так как эти модели могут использоваться в создании программ по определению оптимальных режимов сварки.
Эксперименты сварки под слоем флюса угловых швов проводились на пластинах низкоуглеродистых сталей Ст3 размерами 250*200*14 и 250*125*14, которые сваривались «в лодочку» и образовывали тавровое соединение (рис. 1). Для экспериментов использовались следующие сварочные материалы: сварочный флюс АН-348-А ГОСТ 9087-81 и сварочная проволока Св-08А ГОСТ 2246-70 диаметром 4 мм. Сварка образцов осуществлялась на сварочном автомате А-1416. Для обеспечения рассчитанных режимов применялся базовый источник питания ВДУ-1201.
Рис. 1. Эскиз таврового соединения (свариваемого образца)
Эксперимент проводился следующим образом (рис. 2):
1. Подготовка двух пластин, зачистка кромок под сварку ручной шлифмашинкой.
2. Сборка таврового соединения из пластин на прихватки.
3. Подготовка термопар хромель - алюмель, в аргоне осуществлялась сварка концов термопар, получался спай сферический формы.
4. Конденсаторной сваркой термопары приваривались к образцу, фиксировалось их положение, также приваривались флюсоограничители.
5. Образец устанавливался в оснастку для сварки «в лодочку», подключалась регистрирующая аппаратура, устанавливался требуемый режим, позиционировалась сварочная проволока по линии шва.
6. Осуществлялась сварка первого шва.
7. Второй шов варился аналогично после остывания первого до комнатной температуры.
Регистрация температур в зоне сплавления осуществлялась с помощью термопар, регистрирующей аппаратуры и специального программного обеспечения.
Из сваренного образца вырезалась центральная часть длиной 3-4 см на отрезном ленточнопильном станке. Темплет проходил шлифование на шлиф-машинке до зеркального блеска, после подвергался травлению. Затем макрошлиф фотографировался и по снимку с помощью программы «ВидеоТест-Размер 5.0» замерялись основные геометрические параметры шва (рис. 3, б).
Влияние каждого из параметров режима сварки на геометрию шва известно давно, но при выборе оптимального режима необходима оценка взаимного влияния основных параметров. Применение метода планирования многофакторного эксперимента дает возможность получить регрессионные зависимости второго порядка, учитывающие влияние основных параметров процесса сварки (сварочный ток, напряжение на дуге и скорость сварки) на размеры шва.
Рис. 2. Порядок проведения эксперимента: 1 - сварочная головка;
2 - свариваемый образец; 3 - оснастка для сварки «в лодочку»; 4 - усилители сигнала; 5 - термопары; 6 - флюсоограничители
а б
Рис. 3. Сварное соединение: а - макрошлиф; б - геометрические параметры шва
Условия проведения эксперимента представлены в табл. 1.
Условия проведения эксперимента
Параметры Хі (I), А х2 (V), В Хз (Ксв), м/ч
Основной уровень 650 40 25
Интервал варьирования 150 5 5
Верхний уровень 800 45 30
Нижний уровень 500 35 20
Эксперимент осуществляют с помощью матрицы планирования (табл. 2), в которой используют кодированные значения факторов: х1 - ток сварки; х2 - напряжение на дуге; х3 - скорость сварки.
Таблица 2
Матрица планирования
Номер опыта Х0 Х1 Х2 Х3 Х1Х2 Х1Х3 Х2 Х3 Х12 Х22 Х32
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 1 1 1 -1 -1 1 1 1 1
3 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1
4 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1
5 1 1 1 1 -1 -1 1 1 1
6 1 1 -1 1 -1 1 1 1
7 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1
8 1 -1 1 1 1 1 1 1
9 1 1,68 0 0 0 0 0 2,82 0 0
10 1 -1,68 0 0 0 0 0 2,82 0 0
11 1 0 1,68 0 0 0 0 0 2,82 0
12 1 0 -1,68 0 0 0 0 0 2,82 0
13 1 0 0 1,68 0 0 0 0 0 2,82
14 1 0 0 -1,68 0 0 0 0 0 2,82
15 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
16 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
17 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
18 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
19 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
20 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Данные, полученные в результате экспериментов, представлены в табл. 3, где к - катет шва (берется среднее значение двух катетов К1 и К2); Ь - глубина проплавления (расстояние от угла еще не сваренных пластин до максимального проплавления). Значения параметров сварки представлены в некодиро-ванном виде.
Результаты экспериментов
Номер опыта Номер образца I, А и, В Усв, м/ч к, мм Ъ, мм
1 6 800 45 30 12,39 6,52
2 11 500 45 30 10,33 3,39
3 13 800 35 30 8,29 8,32
4 4 500 35 30 10,9 3,41
5 3 800 45 20 20,29 5,2
6 8 500 45 20 13,7 3,18
7 10 800 35 20 11,09 10,44
8 7 500 35 20 12,25 3,92
9 14 902 40 25 10,44 10,36
10 15 398 40 25 10,65 2,05
11 16 650 48,4 25 13,67 4,35
12 17 650 31,6 25 10,17 5,09
13 18 650 40 33,4 10,65 5,95
14 19 650 40 16,6 13,88 4,33
15 1 650 40 25 13,57 3,82
16 2 650 40 25 14,61 3,95
17 5 650 40 25 12,52 4,08
18 9 650 40 25 11,25 5,62
19 12 650 40 25 12,2 6,73
20 20 650 40 25 11,86 6,15
Используя матрицу планирования и полученные экспериментальные данные, составляем условия для статистической обработки данных. Расчет проводился в системе МаШсаё 14.
Для вычисления коэффициентов ЪК0, ЪК1, ..., ЪКп составляем матрицу х (матрицу условий эксперимента) и у - матрицу наблюдений: уК - матрица для катета шва; уК - среднее значение на нулевом уровне, п0 - количество опытов на нулевом уровне. С помощью выражения Ъ = (хтх)_1 хту определили коэффициенты уравнения регрессии [4].
Следующий этап - проверка статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии. Проверку значимости коэффициентов производили сравнением абсолютной величины коэффициента с доверительным интервалом (рис. 5).
Рис. 4. Листинг расчета коэффициентов уравнения регрессии второго порядка для катета шва
$2уК:= —-—V (уК-уКг)2 1 = 41(0.95,5) ¡:=0..9 С ¡- (хТ х)
¿=14
0 0
0 0,486 0 12,295
1 0,322 1 0,332
2 0,322 2 1,47
3 0,322 3 -1,527
4 0,421 II 4 1,553
5 0,421 5 -0,748
6 0,421 6 -0,89
7 0,314 7 -0,447
8 0,314 8 0,042
9 0,314 9 0,165
Незначимые щ; &Р.9
Рис. 5. Листинг расчета значимости коэффициентов уравнения регрессии второго порядка для катета шва
Коэффициенты, которые по модулю меньше доверительного интервала, считаются статически незначимыми. На рис. 3 показано, что коэффициенты ЬК8 и ЬК9 статистически незначимы. Для получения адекватной модели столбцы, имеющие порядковые номера, равные номерам незначимых коэффициентов, удаляют из матрицы.
Рис. 6. Листинг расчета адекватности уравнения регрессии второго порядка для катета шва
На рис. 6 показан расчет для проверки адекватности модели второго порядка для катета шва. Гипотезу адекватности модели проверяют по
Б2
^-критерию Фишера, используя формулу ^ = -а-. Полученный расчетный
б;
^-критерий сравнивают с теоретическим, который определяют с помощью встроенной функции в математическом пакете МаШсаё. Модель считается адекватной, если расчетный критерий Фишера меньше теоретического.
Из рис. 6 видно, что ГрК < Е1К при 5%-ном уровне значимости, следовательно, модель адекватна, все значения коэффициентов уравнения регрессии по модулю больше йЬК, т.е. все коэффициенты значимы [4].
Уравнение регрессии для катета шва в закодированном виде имеет вид уК = 12,449 + 0,332х1 +1,47х2 -1,527х3 + 1,553х1 х2 - 0,748х1х3 -- 0,89х2х3 - 0,465х12.
По вышеописанной методике аналогично рассчитывается уравнение регрессии второго порядка для глубины проплавления:
уН = 4,523 + 2,238х1 - 0,662х2 - 0,784х1х2 + 0,522х1х3 + 0,649х12 +
+ 0,271х32,
где х1 - ток сварки; х2 - напряжение на дуге; х3 - скорость сварки.
Полученные уравнения регрессии позволяют найти размеры шва при любых заданных параметрах режима, что очень важно при разработке технологии сварки. Можно решать и обратную задачу, выбирая сочетание параметров режима сварки по заданным параметрам шва. Для выбора оптимального режима вводим ограничивающее условие - коэффициент формы шва —
у = — , где В - ширина шва, взаимосвязанная с катетом, В = Кл/2; Н - глу-Н
бина проплавления. Для угловых швов выполненных сваркой под флюсом
Уопт 1,3 . -1,8.
На основе полученных уравнений регрессии строим графики зависимости катета шва и глубины проплавления от тока сварки при разных напряжениях и скоростях сварки. Для наглядности значения напряжения и скорости будем брать максимальное и минимальное (по звездным точкам) и среднее (основной уровень).
При анализе графиков зависимостей влияния размера катета шва от режимов сварки (рис. 7) можно заметить, что при минимальной скорости сварки (16,6 м/ч) и максимальном напряжении на дуге (48,5 В) с увеличением тока дуги примерно в два раза (от 400 до 800 А) катет шва увеличивается также примерно в два раза. При этой же скорости сварки (16,6 м/ч), но при более низком значении напряжения (40 В) с увеличением тока дуги в этих же пределах (от 400 до 800 А) катет шва увеличивается примерно в 1,5 раза. Причем при той же скорости сварки (16,6 м/ч) и минимальном значении напряжения (31,5 В) катет шва даже падает примерно в 1,5 раза, при увеличении тока дуги (от 400 до 800 А). Тенденция изменения катета шва в зависимости от тока сварки с увеличением скорости сварки приобретает более ярко выраженный вид (рис. 7, б, в).
На катет шва в большей степени влияет напряжение на столбе дуги, т.е. с увеличением напряжения ширина столба дуги растет, что приводит к росту катета.
Катет шва, мм
ЗО
25
20
g Л 17
з----------
І ^,34 15 w ..........
10
С/д = 48,5 В _
С/д = 40 В
: s*
С/д = 31,5 В
200
395
200
395
400
600
800 МО-
905
Ток сварки /св, А а
400
600
Ток сварки /св, А
800
1-Ю"
Рис. 8. Зависимости катета шва от тока сварки: а - при Усв = 16,6 м/ч; б - при Ксв = 25 м/ч
УК, о
10
§ УКпЛ1
а-------
І -^.34
\ С/д = 48,5 В
* \ \ . С/ =40 В \ д \
С/д = 31,5 В
200
400
600
1 -10
Ток сварки /св, А в
Рис. 7. Зависимости катета шва от тока сварки: в - при Ксв = 33,4 м/ч
Следует обратить внимание на то, что существует величина тока, при которой напряжение на дуге практически не влияет на размер катета, причем с увеличением скорости сварки примерно в два раза величина этого тока также возрастает примерно в два раза (от 350 до 650 А).
14
12
10
а----
і? 6
200
= 16,6 м/ч
С/д = 31,5 В
/
/ у С/д = 40 В
\ \ \ У
—- " ' ‘с/д = 48,5 В
400
600
1-10
Ток
сварки
а
Рис. 8. Зависимости глубины проплавления от тока сварки: а - при Усв = 16,6 м/ч
12
10
I 8
СО -------------
к уи
О 1П_пЛ7 6
с
^ унп ,4 и
к "--,4 4
Ю .........
>.
£
£/д = 31,5 В /
' У
г / / С/д = 40 В
\ \ \ /
У. / / . / . • С/д = 48,5 В
200
400
600
800
1*10"
Ток сварки /св, А
Ггп = 33,4 м/ч
х
ш
ч
ю
ей
ч
С
о
л
с
й
X
к
ю
гя„
КЯ„
16
14
12
10
/
/ ✓
Яд =31,5 В у \ \ ^ ' п о И
/ / /
\ \ \ Яд =48,5В
/ / / * / / ••
у- ■ ‘
у
200
400
600
800
1-Ю"
Ток сварки /св, А
Рис. 8. Зависимости глубины проплавления от тока сварки: б - при Усв = 25 м/ч; в - при Усв = 33,4 м/ч
При анализе графиков, представленных на рис. 8, видно, что при минимальной скорости сварки (16,6 м/ч) и минимальном напряжении на дуге (30 В) с увеличением тока сварки примерно в два раза (от 400 до 800 А) глу-
бина проплавления увеличивается примерно в три раза. При этой же скорости сварки (16,6 м/ч), но при более большем значении напряжения (40 В) с увеличением тока дуги в этих же пределах (от 400 до 800 А) глубина проплавления увеличилась примерно в два раза. Причем при той же скорости сварки (16,6 м/ч) и максимальном напряжении (48,5 В) глубина проплавления практически не меняется при увеличении тока дуги (от 400 до 800 А). Необходимо отметить, что существует величина тока, равная примерно 500 А, при которой напряжение на дуге и скорость сварки в малой степени влияют на глубину проплавления.
На глубину проплавления большее влияние оказывает ток дуги, так как чем больше ток, тем больше мощность дуги, т.е. большее количество тепла вводится в зону сварки, а поскольку толщина свариваемых образцов в несколько раз меньше их длины и ширины, при большем токе большая часть тепла уходит в глубину, которая быстрее прогревается.
С увеличением скорости сварки действует два противоположных фактора: с одной стороны, дуга более короткое время находится в заданной точке сварки, т.е. падает погонная энергия, но при этом происходит рост коэффициента сосредоточенности дуги, а при увеличении коэффициента сосредоточенности происходит уменьшение диаметра пятна нагрева и тепловой поток вводится в меньшую площадь, что в итоге приводит к увеличению проплавления.
Аналогично действует и уменьшение напряжения на дуге, только в этом случае уменьшается мощность дуги, но растет коэффициент сосредоточенности дуги, что приводит к увеличению проплавления.
Кроме того, из литературы известно, что с увеличением скорости сварки толщина жидкой прослойки под дугой обычно уменьшается, эффективность проплавления немного возрастает.
На катет шва, как писалось выше, в большей степени влияет напряжение на дуге. Также размер катета шва зависит от количества наплавленного металла, т.е. с увеличение тока дуги увеличивается выделяемое количество теплоты, происходит большее расплавление металла и, соответственно, растет катет шва. С увеличением скорости сварки катет шва уменьшается, это может быть связано с отводом части тепла на непрогретую часть образца за счет более быстрого перемещения источника тепла.
Из графиков, изображенных на рис. 8, видно, что существует точка пересечения кривых, при которой напряжение на дуге не влияет на глубину проплавления. Значимость этой точки пока не изучена, в научной литературе по этому поводу данных нет.
Сделаем следующие выводы:
1. На основе метода многофакторного эксперимента проведено исследование влияния режимов сварки на размеры угловых швов.
2. Получены уравнения регрессии зависимости катета шва и глубины проплавления от основных параметров режима сварки.
3. Полученные данные не противоречат результатам, которые представлены в научной литературе другими исследователями, но раскрывают комплексную связь параметров режима сварки с параметрами шва, в результате полученные зависимости становятся неоднозначными.
4. Предполагается использование полученных уравнений регрессий и данных термоциклов, записанных в процессе сварки для построения математической модели тепловых процессов.
Список литературы
1. Технология электрической сварки плавлением: учеб. пособие / под ред. Б.Е. Патона. - М.; Киев: Машгиз, 1962. - 663 с.
2. Справочник по сварке: в 3 т. / под ред. Е.В. Соколова. - М.: Машгиз, 1960. - Т. 1. - 554 с.
3. Сварка и свариваемые материалы: в 3 т. Т. 1. Свариваемость материалов / под ред. Э.Л. Макарова - М.: Металлургия, 1991. - 528 с.
4. Язовских В.М. Математическое моделирование и инженерные методы расчета в сварке: в 2 ч. Ч. 1. Статистическая обработка и планирование эксперимента: учеб. пособие / В.М. Язовских. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - 127 с.
Получено 13.09.2010
