CC BY
23
© А.Г. Крампит, Н.Ю. Крампит, М.А. Крампит, 2012
А.Г. Крампит, Н.Ю. Крампит, М.А. Крампит
ПРОЦЕСС СВАРКИ С ИМПУЛЬСНЫМ ПИТАНИЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЦИЛИНДРОВ ШАХТНЫХ КРЕПЕЙ
Представлены возможности процесса сварки в углекислом газе при импульсном питании сварочной дуги в шелевую разделку. Ключевые слова: сварка в шелевую разделку, импульсное питание, сварное соединение.
Кузбасс — крупный промышленный регион России с высоким экономическим потенциалом. Кемеровская область играет важную роль в экономики не только Сибири, но и всей России. Базовыми отраслями промышленности региона являются: угольная промышленность и металлургия.
На долю угольной промышленности приходится более 30 % промышленного производства региона. На долю Кузбасса приходится около 56 % добычи каменных углей России, около 80 % добычи всех коксующих углей России.
В настоящее время объемы добычи угля неуклонно растут. Вместе с ними растут и требования шахтеров, предъявляемые к горношахтному оборудованию. Одним из поставщиков оборудования для угольных разрезов Кузбасса является Юргинский машиностроительный завод, который предлагает горнякам оборудование, полностью соответствующее новым требования.
Крепь механизированная М138 поддерживающе-огради-тельного типа предназначена для механизации крепления при-забойного пространства, поддержания и управления кровлей, включая тяжелые по проявлению горного давления передвижки забойного конвейера при ведении очистных работ на пологих и наклонных пластах (рис. 1).
Крепь оснащена устройствами якорения, правки, а также корректировки трассы и удержания лавного конвейера.
Одной из ответственных частей шахтной крепи является гидростойка (рис. 2).
Цилиндр входит в состав гидростойки. Для производства цилиндра (рис. 3) применяется технология, связанная с уменьше-
нием объема наплавленного металла при сварке за счет сокращения плошали разделки кромок, т.е. сварка в щелевую разделку, которая является рациональным направлением повышения работоспособности сварных конструкций при высокой их экономической эффективности.
Преимущества технологии сварки в щелевую разделку:
1. Снижение объема и веса наплавленного металла, что в свою очередь:
2. Уменьшение зоны термического влияния за счет использования небольшой погонной энергии (особенно актуально для сварки металлов чувствительных к термическому циклу).
Рис. 3 Цилиндр шахтной крепи (а) н вид щелевой разделки (б)
3. Повышение эффективного КПД источника нагрева.
4. Улучшение механических свойств сварного шва.
5. Улучшение условий удержания сварочной ванны в различных пространственных положениях.
Однако у данной технологии есть ряд существенных недостатков, которые снижают возможность ее широкого применения, а именно:
1. Необходимость точного направления электрода строго по центру зазора (во избежание «перекидывания» дуги на одну из стенок зазора или закорачивания сварочного мундштука или наконечника, что приводит к выходу его из строя).
2. Необходимость поддерживать постоянный вылет электрода по мере заполнения узкого зазора.
3. Наибольшая вероятность образования таких дефектов сварных швов как:
а) склонность к образованию пор (так как быстрый процесс охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны затрудняет процесс дегазации металла сварочной ванны);
б) склонность к несплавлению сварного шва с кромками разделки (характерно для механизированной сварки в защитных газах).
4. Снижение устойчивости горения дуги за счет влияния ферромагнитных масс и эффекта магнитного дутья дуги.
Существующие в настоящее время технологии традиционных способов сварки цилиндров шахтных крепей наряду с достоинствами имеют свои недостатки. Например, сложно произвести качественную сварку дна и цилиндра (щелевая разделка), не применяя специальной техники, что затрудняет и усложняет процесс производства механизированной сваркой в защитных газах.
Одним из вариантов улучшения технологии можно предложить импульсный процесс сварки «длинной дугой» плавящимся электродом в среде защитных газов. При импульсно-дуговой сварке «длинной дугой» происходит активное периодическое воздействие на металл сварочной ванны импульсами сварочного тока, что приводит к более активным колебаниям сварочной ванны (увеличивается дегазация сварочной ванны). Во время наложения импульса металл сварочной ванны вытесняется из-под дуги в хвостовую часть, а также в стороны, захватывая нерасплавленные кромки разделки. Сварочная дуга с увеличением амплитуды тока расширяется, захватывая стенки разделки, тем самым, улучшая сплавление металла шва с основным металлом. При возвратном движении жидкого металла сварочной ванны в паузе образуется вогнутый мениск сварного шва, это устраняет такие дефекты, как зашлаковка кромки шва (при выгнутой форме шва).
Характерная особенность импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом — управляемый перенос электродного металла [1].
Сущность процесса сварки с импульсным питанием сварочной дуги заключается в наложении мощных (до 1200 А) кратковременных импульсов сварочного тока на ток дежурной дуги (30 А) (рис. 4). В результате осуществляется направленный перенос электродного металла с торца электрода в сварочную ванну. Длительность накладываемых импульсов находится в пределах 2,5—10 мс, скорость нарастания сварочного тока составляет от 50—100 кА/с. При соблюдении принципа «импульс-капля» в области управляемого переноса частота следования импульсов составляет 30—130 Гц.
К системе импульсного питания (источник питания + источник импульсов) предъявляют следующие требования:
Рис. 4. Осциллограммы тока и напряжения процесса сварки при импульсном питании сварочной дуги
• напряжение холостого хода более 55 В;
• обеспечение высокой скорости нарастания сварочного тока.
При сварке в щелевую разделку, вследствие особенности разделки кромок, снять процесс движения жидкого металла сварочной ванны в продольном расположении невозможно, поэтому применяли скоростную киносъемку дугового промежутка и сварочной ванны при фронтальном расположении кинокамеры (рис. 5).
Процесс сварки при импульсном питании в С02 в щелевую разделку протекает следующим образом: в конце паузы сварочный ток 10—50А, поэтому на поверхность сварочной ванны воздействует сварочная дуга, площадь и сила воздействия которой не велики (рис. 5, кадр 1). В результате поверхность сварочной ванны имеет небольшое углубление под дугой.
При нарастании сварочного тока столб дуги расширяется. Перенос капель расплавленного электродного металла с торца электрода в сварочную ванну осуществляется во время наложения на дугу мощных импульсов тока, во время которых про-
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 • 12
Цг 13 • 14 15 16
Рис. 5. Кинограммы процесса плавления, переноса электродного металла и движения жидкого металла сварочной ванны при сварке в С02 с импульсным питанием в щелевую разделку
исходит расширение столба дуги. Это вызывает появление осевой составляющей электродинамической силы, которая, втягивая каплю с торца электрода в сварочную дугу, способствует отрыву капли и соосному переходу ее в сварочную ванну. С увеличением сварочного тока возрастает воздействие сварочной дуги на поверхность сварочной ванны. Жидкий металл сварочной ванны, вытесняется из-под дуги (рис. 5, кадры 2—4).
Столб дуги полностью охватывает каплю электродного металла и захватывает часть электрода (рис. 5, кадры 5—7). Далее дуга скачкообразно удлиняется, при этом на кадре хорошо видна перемычка жидкого металла между каплей и торцом электрода и дуга, охватывающая перемычку (рис. 5, кадр 8). В момент отрыва и переноса капля сильно деформирована и вытянута в направлении ванны, поэтому размер капли электродного металла превышает видимую часть дуги, находящуюся над
краем сварочной ванны (рис. 5, кадры 9—10). Скорость переноса капли электродного металла в сварочную ванну составляет в среднем 3 м/с.
Во время наложения импульса металл сварочной ванны вытесняется из-под дуги в хвостовую часть, а также в стороны, захватывая нерасплавленные кромки разделки (рис. 5, кадры 5— 7). Сварочная дуга с увеличением амплитуды тока расширяется, захватывая стенки разделки, тем самым, улучшая сплавление металла шва с основным металлом. В паузе при возвратном движении жидкого металла сварочной ванны образуется вогнутый мениск (рис. 5, кадры 12—16). Наибольшее перемещение поверхности сварочной ванны происходит при вытеснении жидкого металла дугой. После отрыва капли и перехода ее в сварочную ванну образуется волна, двигающаяся к кромкам разделки.
Импульсное питание сварочной дуги, благодаря периодическому повышению мощности, позволяет изменять введение теплоты в боковые кромки сварного соединения, что приводит к формированию вогнутой внешней поверхности сварного шва (мениска). Такая форма шва наиболее благоприятна для наложения последующих слоев, а также устранения таких дефектов, как зашлаковка кромки шва. Характерная форма шва при сварке с импульсным питанием сварочной дуги в углекислом газе в щелевую разделку представлена на рис. 6. Здесь хорошо видна менисковая форма корневого слоя сварного валика.
При сварке в щелевую разделку одним из основных показателей является ширина разделки. Проведенные в работах [2, 3] исследования показали, что качественно сформировать сварной валик возможно при ширине разделки от 10 до 13 мм. При этом сварку в С02 можно проводить с использованием стандартных сварочных материалов, например, электродной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2—1,6мм.
Импульсное питание сварочной дуги позволяет управлять не только процессом плавления и переноса электродного металла, но и формированием сварного шва: геометрией сварного шва и структурой сварного соединения. Периодическое изменение мощности и активные колебания сварочной ванны приводят к изменению условий кристаллизации сварочной ванны. Увеличение частоты следования импульсов приводит к измельчению структуры наплавленного металла (рис. 7) [4].
Рис 6. Форма шва при сварке в С02 с импульсным питанием в щелевую разделку
Рис. 7. Структура металла шва при импульсном питании с различной частотой следования импульсов
Таким образом, процесс сварки с импульсным питанием плавящимся электродом в С02 показал следующие технологические преимущества по сравнению со сваркой стационарной дугой: управляемый и направленный перенос электродного металла, малые потери металла на угар и разбрызгивание, возможность сварки «длинной дугой» на низких режимах, устранение дефектов сварных швов и, как следствие, повышение качества сварных соединений.
Выводы
1. Показаны особенности процессов плавления и переноса электродного металла, а также движения жидкого металла и формирования сварного шва в щелевую разделку при импульсном питании сварочной дуги.
2. Применение импульсного питания позволяет повысить устойчивость горения сварочной дуги и получить бездефектное сварное соединение при сварке в С02 в щелевую разделку.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Князьков А.Ф., Крампит Н.Ю., Крампит А.Г. Управление процессом каплепереноса при сварке в С02 длинной дугой. // Сварочное производство. 2007. №6. С. 28—30.
2. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г. Жидкая прослойка между дугой и кромками соединения при импульсном питании в щелевую разделку. // Технология металлов. 2003. №9. С. 23—27.
3. Князьков А.Ф., Крампит Н.Ю., Крампит А.Г. Совершенствование процесса сварки в С02 в щелевую разделку. // Сварочное производство. 2004. №1. С. 36—38.
4. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г. Схема воздействия импульсного питания сварочной дуги на структуру формирующегося сварного соединения // Вопросы материаловедения. 2003. №2(34). С. 45—51. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Крампит Андрей Гарольдович — кандидат технических наук, доцент, е-шаИ: akrampit@mail.ru,
Крампит Наталья Юрьевна — кандидат технических наук, доцент, профессор РАЕ, е-шаП: nkrampit@mail.ru, Крампит Максим Андреевич — студент,
Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета (ЮТИ ТПУ).
