CC BY
70
УДК 621.791.03
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРИТИЧЕСКОГО ОБЪЕМА КАПЛИ, СПОСОБНОГО ПЕРЕЙТИ В СВАРОЧНУЮ ВАННУ ПРИ СВАРКЕ С КОРОТКИМИ ЗАМЫКАНИЯМИ
Н.В. Павлов, А.В. Крюков, А.М. Жуков
Юргинский технологический институт (филиал) ТПУ E-mail: pavlin123@rambler.ru
В результате исследования способа сварки с управляемым каплепереносом электродного металла, была разработана математическая модель критического объема капли, способного перейти в сварочную ванну при сварке с короткими замыканиями. Вследствие высокой сложности и многофакторности полученной физической зависимости, была создана линейная мультипликативная регрессионная модель, описывающая зависимость изменения величины объема капли от входных параметров режима процесса сварки. Сравнение экспериментальных и расчетных значений показало адекватность созданных моделей.
Ключевые слова:
Сварка, смесь газов, математическая модель.
При производстве сварных металлоконструкций все более широкое применение находят способы сварки с управляемым каплепереносом электродного металла [1]. Данный способ позволяет [2]:
• управлять процессами плавления, переноса и кристаллизации металла независимо от пространственного положения сварочной ванны при значительно меньших средних значениях основных технологических параметров;
• управлять скоростью кристаллизации сварочной ванны вследствие нестационарного энергетического
воздействия источника нагрева на сварочную ванну;
• уменьшать степень деформационных процессов в сварных конструкциях.
Дальнейшее совершенствование способов сварки с управляемым каплепереносом электродного металла заключается в использовании в качестве защитного газа смеси аргона и двуокиси углерода (Ar+CO2), активно применяемой на производстве [3].
Сварка в смеси газов положительно сказывается на технологических свойствах сварочной дуги (повышая стабильность ее горения), происходит снижение размеров брызг и уменьшение потерь на разбрызгивание, уменьшается выпуклость шва [4].
Экспериментально было установлено, что наименьшие потери электродного металла на угар и разбрызгивание достигаются при содержании 70 % Ar + 30 % СО2 и не превышают 2 % [5].
Основываясь на данных, описанных в работе Н.М. Новожилова, полученное соотношение обусловлено тем, что добавление к аргону углекислого газа до 70 % Ar + 30 % СО2 сопровождается уменьшением размера электродных капель и соответствующим увеличением их количества. Повышение содержания углекислого газа в аргоне сверх этого предела при одних условиях сопровождается резким, а при других условиях плавным уменьшением количества капель, образующихся в единицу времени [6].
Павлов Николай Викторович, ст. препод. кафедры сварочного производства Юргин-ского технологического института (филиал) ТПУ.
E-mail: pavlin123@rambler.ru
Область научных интересов: сварка с управляемым каплепереносом электродного металла.
Крюков Артем Викторович,
канд. техн. наук, доцент кафедры сварочного производства Юргинского технологического института (филиал) ТПУ.
E-mail: earendill@mail.ru Область научных интересов: системы автоматизированного проектирования технологического процесса сборки и сварки металлоконструкций. Жуков Александр Михайлович, студент кафедры сварочного производства Юргинского технологического института (филиал) ТПУ.
E-mail: pavlin123@rambler.ru
Область научных интересов: дуговая сварка плавящимся электродом.
При дальнейшем исследовании рассматриваемого способа сварки целесообразно применение математических методов и математического моделирования технологических параметров процесса сварки. Применение данных методов превратилось в мощный инструментарий исследований и познания процессов, происходящих в сложных технологических системах, позволяющих не только получить формализованное описание их основных закономерностей, но и эффективно управлять ими.
Математическое моделирование позволяет оптимизировать условия протекания процесса образования сварного соединения, предотвратить появление недопустимых дефектов сварных швов, соединений, конструкций и одновременно повысить производительность сварочных операций [7].
Основным технологическим параметром, существенно влияющим на эффективность процесса, является характер плавления и переноса электродного металла. Определение закономерностей процесса образования и величины капли на торце электрода позволяет создавать методы управления формой и размерами капель, выбирать оптимальные варианты реализации технологического процесса и служит основой для решения широкого круга практических задач.
На основании всего вышеизложенного была поставлена цель - разработать математическую модель изменения объема капли расплавленного металла для процессов сварки с управляемым каплепереносом электродного металла в смеси газов.
На первоначальном этапе для разрабатываемой модели были определены входные параметры, оказывающие существенное воздействие на искомые значения (среднее значение тока
I, напряжение на дуге ид, скорость сварки Усв, частота переноса электродного металла/). Определение величины изменения объема капли расплавленного металла следует рассматривать на основе сил, действующих на каплю в процессе каплепереноса электродного металла
ГЭд+Гд=Гр+Гпн, Н, (1)
где - электродинамическая сила, Н; ^ - динамическая сила, Н, которая является суммой силы тяжести и силы инерции, полученной при движении капли; ¥р - сила давления плазменных потоков, Н; - сила поверхностного натяжения, Н.
Для решения данного уравнения необходимо определить значения сил и некоторые коэффициенты.
Электродинамическая сила определяется из выражения [8]:
F. R , Н,
4п r
где f - относительная магнитная проницаемость стали, /л = 200; f0 - магнитная постоянная; i -плазменный ток дуги, А; R - радиус капли, мм; r - радиус проволоки, мм.
Динамическая сила, зависящая от ускорения:
Fd = m ( g + a ), Н,
где m - масса капли, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; а - ускорение капли, возникающее при остановке проволоки, м/с2.
Сила давления плазменных потоков:
12
Fp = A—, Н,
Р Sa
где А - коэффициент, зависящий от материала электрода и параметров приэлектродных областей; I - сила сварочного тока, А; Sa - площадь анодного пятна, мм2;
Определение коэффициента А основывается на экспериментальных исследованиях формы сварочной ванны по методике описанной в [9]. На основе полученных данных построим график зависимости (рис. 1) коэффициента А от величины сварочного тока.
Сила поверхностного натяжения между каплей и сварочной ванной, зависящая от диаметра проволоки:
F = 2лга , Н,
пн ~ ~
где а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.
Рис. 1. Зависимость коэффициента А от величины сварочного тока
Определив значение указанных выше сил вводим их в выражение (1) и определяем массу капли, которую возможно перенести в сварочную ванную:
А12 ЦЦо12,
2^ ап л---------—1п- 2
4п ^ з (2)
т =-------------------------- , м ,
ё
где л, ¡¿о - абсолютная и относительная магнитная проницаемость стали, Гн/м; Я2 - радиус столба дуги, м; Я1 - радиус электрода, м; а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; А -коэффициент, зависящий от материала электрода и параметров приэлектродных областей, А =
0,963-10-11 Нм2/А2, (данное значение определено экспериментально для сварки с управляемым каплепереносом электродного металла в смеси газов (Аг+С02)).
Разделив полученную зависимость (2) на плотность металла, определяется критический объем капли, способный перейти в сварочную ванну при сварке с короткими замыканиями:
А12 ц^оI2. Я2
2Я, ап л------—1п—2
„ 1 § 4п R з (3)
V =--------------------------,м ,
Рё
где р - плотность металла, кг/м3.
Вследствие высокой сложности и многофакторности полученной физической зависимости (3) был использован метод многофакторного планирования эксперимента и с помощью него получена линейная мультипликативная регрессионная модель, описывающая зависимость изменения величины объема капли от входных параметров режима процесса сварки:
V = 0,015 XI0’03 X и8’33 X Ус°в17 X :ГД, м3.
Проверка адекватности моделей выполнена при сварке серии образцов. В состав экспериментальной установки входили: автоматическая сварочная головка ГСП-2, укомплектованная механизмом импульсной подачи электродной проволоки [10], источник питания ВС-300Б, газосмеситель ВИТТ ВМ-2М.
Для исследования использовались пластины из стали Ст3 (толщиной 6 мм). Сварка проводилась проволокой Св-08ГСМТ0 (диаметром 1,2 мм). Режимы сварки изменялись в следующих пределах: сварочный ток - 180...260 А, напряжение сварки - 23...28 В, скорость сварки -2,55...4,77 мм/с, частота переноса электродного металла - 62. 100 Гц.
Для регистрации процесса каплепереноса электродного металла был спроектирован экспериментальный комплекс, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальный комплекс
Он включает в себя: 1) подвесная сварочная головка ГСП-2 для автоматической сварки плавящимся электродом в защитных газах; 2) смененное газоподводящее сопло (промышленное или двухструйное) для изменения условий истечения защитного газа; 3) система линз для фокусировки цифровой скоростной видеокамеры на объекте исследования; 4) цифровая скоростная видеокамера «Видео Спринт» с возможностью регистрации быстропротекающих процессов (частота 52000 кадров в секунду); 5) цифровой регистратор параметров сварки AWR-524 для регистрации энергетических параметров сварочного процесса; 6) инверторный источник питания постоянного тока ВС-300Б для питания сварочной дуги; 7) блок автоматического регулирования сварки БАРС-2В для автоматического регулирования параметров сварки (ток, напряжение, скорость сварки, расход газа и т. д.), возбуждения и гашения дуги; 8) прожектор для создания «теневого» эффекта (включает в себя: 8.1) угольные электроды для создания мощного источника света; 8.2) сферическое зеркало для отражения светового потока; 8.3) систему линз для фокусировки светового потока на сварочной дуге); 9) источник питания ТИР-315 для возбуждения и питания дуги между угольными электродами; 10) персональный компьютер со специальным программным обеспечением (ПО) для управления параметрами цифровой скоростной видеокамеры, обработки и хранения полученной видео информации. Результаты расчетных и экспериментальных данных представлены на рис. 3.
в)
Рис. 3. Номограммы а) экспериментальных и б, в) расчетных значений изменения объема капли - V от силы сварочного тока - I и частоты переноса электродного металла - /
Сравнение экспериментальных и расчетных значений показало адекватность модели при 8 %-ом уровне значимости (по критерию Фишера).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федько В.Т., Брунов О.Г., Соколов П.Д. Сварка с импульсной подачей сварочной проволоки как частный случай импульсно-дуговой сварки // Сварочное производство. - 2006. - № 7.
- С. 6-8.
2. Павлов Н.В., Крюков А.В., Зернин Е.А. Распределение температурных полей при сварке в смеси газов с импульсной подачей электродной проволоки // Сварочное производство. -2011. - № 1. - С. 35-36.
3. Языков Ю.Ф., Алексина И.В. Преимущества сварки в защитных газовых смесях // Сварочное производство. - 2008. - № 9. - С. 29-30.
4. Карасев М.В., Работинский Д.Н., Головин С.В., Ладыжанский А.П., Павленко Г.В., Розерт Р., Stein D., Зинченко А.В. Влияние режима механизированной сварки в смесях газов на служебные свойства наплавленного металла // Сварщик в России. - 2007. - № 6. - С. 35-40.
5. Павлов Н.В., Крюков А.В., Зернин Е.А. Сварка с импульсной подачей электродной проволоки в смеси газов // Сварочное производство. - 2010. - № 4. - С. 27-28.
6. Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах. М.: Машиностроение, 1979.
- 231 с.
7. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: Т. 1: Математическое моделирование и информационные технологии, модели сварочной ванны и формирования шва. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - 585 с.
8. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М.: Машиностроение. - 1974. - 240 с.
9. Солодский С.А. Разработка автоматизированной системы для сварки в СО2 с импульсной подачей проволоки и модуляцией сварочного тока: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Челябинск, 2010. - 20 с.
10. Механизм импульсной подачи сварочной проволоки: пат. 2254969 Рос. Федерация. Заявл. 15.03.2004; опуб. 27.06. 05, Бюл. № 18. - 5 с.
Поступила 30.01.2012 г.
