РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ

ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS

Статья поступила в редакцию 29.05.12. Ред. рег. № 1349 The article has entered in publishing office 29.05.12. Ed. reg. No. 1349

УДК 621.791.01

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ

В.П. Сидоров, И.В. Смирнов, А.И. Смирнова, Д.И. Архипкин

ООО «Сварочные машины и технологии» 445004, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Толстого, д. 7, оф. 306 Тел./факс (8482) 28-87-26, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru

Заключение совета рецензентов: 10.06.12 Заключение совета экспертов: 15.06.12 Принято к публикации: 20.06.12

В статье приводятся результаты исследования эффективности применения способа дуговой сварки с управляемым тепловложением, в сравнении с традиционным процессом сварки, для снижения затрат электрической энергии, идущей на формирование однотипных сварных соединений.

Ключевые слова: дуговая сварка, энергоэффективность, управление тепловложением.

CALCULATED EVALUATION OF ENERGY EFFICIENCY PROCESS ARC WELDING

WITH A CONTROLLED HEAT INPUT

V.P. Sidorov, I.V. Smirnov, A.I. Smirnova, D.I. Arhipkin

"Welding Machines and Technologies" Ltd. 7-306 Tolstogo str., Tolyatty, Samara reg., 445004, Russia Tel./fax (8482) 28-87-26, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru

Referred: 10.06.12 Expertise: 15.06.12 Accepted: 20.06.12

In article the results of the researches efficiency application a way of arc welding with a controlled heat input in comparison with traditional process of welding, for decrease in expenses of the electric energy going on formation of the single-type welded joining.

Keywords: arc welding, energy efficiency, control of heat input.

В течение последних пяти лет в России был разработан, исследован и внедрен в производство способ аргонодуговой сварки неплавящимся электродом с управляемым тепловложением. Суть предлагаемого подхода достаточно подробно описана в работах [1-5]. Способ основан на практическом применении нового принципа пространственно-параметрического управления тепловложением. Указанный принцип базируется на сочетании управления положением сварочной дуги в пространстве с синхронным управлением параметрами процесса сварки (силой тока, напряжением дуги, временем горения дуги).

Основным новшеством, применяемым в способе сварки с управляемым тепловложением, является управление пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля [6, 7]. Предлагаемый подход основан на том, что изменение положения сварочной дуги в пространстве происходит не под воздействием внешних магнитных полей, а за счет изменения напряженности магнитного поля, образующегося вокруг сварочной дуги в процессе сварки и называемого собственным магнитным полем сварочной дуги. В технике данный эффект получил название «магнитное дутье» [8].

В настоящее время процесс аргонодуговой сварки с управляемым тепловложением с успехом применяется для качественного формирования корневого слоя шва в односторонних соединениях, сварки разнородных металлов и для сварки металлов с большой разницей толщин. Однако последние теоретические изыскания позволяют с большой степенью уверенности говорить о том, что процесс сварки с управляемым тепловложением помимо технологических преимуществ может обеспечить существенное повышение эффективности использования тепловой энергии сварочной дуги в процессе дуговой сварки.

Повышение эффективности использования тепловой энергии дуги в процессе сварки может быть выражено прежде всего в сокращении затрат энергии, идущей на формирование единицы площади поперечного сечения сварного шва. Выдвигаемая гипотеза базируется на двух основных предпосылках:

1. При наличии поперечных колебаний сварочной дуги в пространстве в процессе сварки тепло от сварочной дуги будет более эффективно и полно передаваться свариваемому металлу, чем при стационарно горящей в поперечном направлении сварочной дуге. При традиционных способах дуговой сварки тепло от дуги передается к изделию через жидкую прослойку металла сварочной ванны, которая будет выступать как своего рода тепловой демпфер.

2. При наличии поперечных колебаний дуги сварной шов в поперечном сечении будет формироваться за счет перекрытия двух соседних участков сварного шва, каждый из которых расположен на одной из свариваемых кромок. При одинаковых режимах сварки (силе сварочного тока и скорости сварки) дуга, горящая на одну из свариваемых кромок, будет вызывать на ней формирование большей по площади зоны проплавления, чем дуга, горящая по центру стыка одновременно на две кромки. А поскольку шов в поперечном сечении будет формироваться за счет перекрытия двух соседних участков на двух соединяемых кромках, то в случае сварки с поперечными колебаниями при прочих равных услови-

ях сварки будет получаться шов с большей площадью поперечного сечения.

Для проверки высказанной гипотезы специалистами нашего предприятия были выполнены вычислительные эксперименты, заключающиеся в расчете размеров зоны проплавления свариваемых кромок при их соединении двумя сравниваемыми вариантами сварки:

- автоматической аргонодуговой сваркой с пространственно-параметрическим управлением тепло-вложением корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок;

- традиционной автоматической аргонодуговой сваркой (т.е. без поперечных колебаний дуги) корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок.

Решение задач исследования проводилось с применением разработанных математических моделей традиционного процесса дуговой сварки и процесса дуговой сварки с управляемым тепловложением. Ряд специфических аспектов математической модели процесса сварки с управляемым тепловложением подробно описан в работе [3].

Для решения математических моделей использован численный метод решения, а именно метод конечных элементов. При описании свойств геометрической модели объекта теплопроводность задавали зависящей от температуры.

Для решения математических моделей использовали программный комплекс MathCAD Prime 1 с коммерческой лицензией.

Вычислительный эксперимент в каждом опыте заключался в определении размеров и формы зоны проплавления свариваемых кромок в сечении, перпендикулярном оси свариваемого стыка.

Данная работа посвящена расчетам, выполненным для низкоуглеродистой стали. Для примера в расчетах в качестве основного металла свариваемых кромок взята сталь 10. Основные варьируемые в ходе эксперимента факторы процесса приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения переменных факторов процесса при проведении вычислительного эксперимента по имитации процесса автоматической аргонодуговой сварки

Table 1

Values of variables during the process of computer simulation to simulate the automatic argon-arc welding

№ п/п Фактор Диапазон варьирования Исследуемые в эксперименте значения фактора

1 Сила сварочного тока, А 50 - 170 50; 110; 170

2 Время нахлеста, с 0 0

3 Величина тока нахлеста, А 0 0

4 Скорость сварки, см/с 0,15 - 0,5 0,15; 0,32; 0,5

5 Частота коммутации тока между каналами токоподвода, Гц 0,25 - 4 0,25; 1; 2; 4

6 Толщина свариваемого металла, мм 7,5 - 20 7,5; 10; 20

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Таблица 2

Фрагмент таблицы с результатами вычислительного эксперимента по определению картины температурного поля в свариваемых кромках толщиной 10 мм с разделкой

Table 2

Detail of the table with the results of computer simulation to determine the pattern of the temperature

field in the welded edges 10 mm from the butchering

№ п/п

Сварочный ток, А

Скорость сварки, см/с

Частота коммутации тока, Гц

Рисунок поперечного сечения

Площадь поперечного сечения шва, см2

Приращение площади сечения, %

Для каждой из трех изучаемых толщин выполняли серию экспериментов, каждый из которых состоял из четырех опытов. В рамках каждого эксперимента при постоянном сочетании толщины свариваемых кромок, силы сварочного тока и скорости сварки выполняли четыре опыта, различающиеся частотой поперечных колебаний сварочной дуги. В каждом эксперименте принимали следующие частоты поперечных колебаний дуги: 0; 0,25; 1 и 2 Гц. Частоте 0 Гц соответствует традиционный способ сварки.

В результате проведения вычислительных экспериментов для каждой из изучаемых толщин были сформированы таблицы с рассчитанными на каждом режиме сварки площадями поперечного сечения шва. Для примера фрагмент такой таблицы для толщины кромки 10 мм показан в табл. 2.

Аналогичные расчетные результаты получены для толщин кромок 7,5 и 20 мм.

В дальнейшем полученные экспериментальные данные подвергли дополнительной обработке с целью: - определения величины затрат электроэнергии на образование единицы площади сварного соединения при использовании способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложени-ем в сравнении с существующим сварочным оборудованием и технологиями дуговой сварки;

- определения производительности технологических процессов сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением в сравнении с существующими технологиями дуговой сварки при формировании одинаковой площади сечения сварного шва;

- определения величины возможного снижения себестоимости технологических процессов сварки и готовой сварочной продукции при использовании способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением в сравнении с существующими технологиями дуговой сварки при формировании одинаковой площади сечения сварного шва.

Проведенный анализ экспериментальных данных позволил установить, что использование способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением, в сравнении с традиционным способом сварки, позволяет сократить величину затрат электроэнергии на образование единицы площади сварного соединения на величину от 25% (при токе 50 А) до 47% (при токах 110-170 А). При этом наибольшая эффективность процесса сварки по величине затрат энергии, идущей на образование единицы площади поперечного сечения, наблюдается на скоростях сварки до 0,32 см/с и частотах поперечных колебаний сварочной дуги в пределах 0,2-1 Гц.

На рис. 1 приведен пример диаграммы зависимости величины электрической энергии, затрачиваемой на формирование единицы площади поперечного сечения шва элементов толщиной 10 мм на токе 170 А и скорости сварки 0,15 см/с. А на рис. 2 в качестве примера приведен график зависимости величины повышения эффективности использования электрической энергии, затрачиваемой на формирование единицы площади поперечного сечения шва элементов толщиной 10 мм на токе 170 А и различных скоростях сварки.

Рис. 1. Зависимость величины электрической энергии, затрачиваемой на формирование единицы площади поперечного сечения шва элементов из стали 10 толщиной 10 мм на токе 170 А и при скорости сварки 0,15 см/с Fig. 1. Dependence of size the electric energy spent for formation unit area of cross-section section a seam of elements from steel 10 thickness of 10 mm on a current 170 A and speed welding 0,15 cm/s

бом сварки, позволяет сократить затраты электроэнергии на формирование 1 погонного метра сварного шва на величину от 20,5 % (при токе 50 А) до 75% (при токе 110 А). При этом наименьший уровень затрат энергии, идущей на образование 1 погонного метра сварного шва, наблюдается на скорости сварки 0,32 см/с и частотах поперечных колебаний сварочной дуги в пределах 0,2-0,7 Гц.

На рис. 3 приведен пример графика изменения сокращения расхода электроэнергии, затрачиваемой на сварку 1 погонного метра сварного шва, в зависимости от частоты коммутации тока между каналами токоподвода для толщины кромки 10 мм при сварочном токе 110 А.

а <

о

Я о.

ü я

80

60

-а

а: ^ s

40

& с

О ;

20

\Лс в = 0,32 см/с

_-L. > = о;;

\'св = - 0.15

0,5 1 1,5 2

Частота том мутации тока, Гц

2,5

Рис. 2. Зависимость величины повышения эффективности использования электрической энергии, затрачиваемой на формирование единицы площади поперечного сечения шва элементов толщиной 10 мм на токе 170 А и при различных скоростях сварки Fig. 2. Dependence of size increase of efficiency use the electric energy spent for formation of unit area cross-section section a seam of elements in thickness 10 mm on a current 170 A and various speeds welding

Проведенный анализ экспериментальных данных показал также, что использование способа сварки с пространственно-параметрическим управлением те-пловложением, в сравнении с традиционным спосо-

Рис. 3. График изменения сокращения расхода электроэнергии, затрачиваемой на сварку 1 погонного метра сварного шва, в зависимости от частоты коммутации тока между каналами токоподвода для толщины кромки 10 мм

при сварочном токе 110 А Fig. 3. The graph change reduction of an expense the electric power spent for welding of 1 running meter of a welded seam,

depending on frequency of switching of a current between channels current contact jaw for thickness of an edge of 10 mm at a welding current 110 A

Сокращение энергозатрат, требуемых на формирование равноценных по геометрическим размерам сварных швов, при использовании способа сварки с пространственно-параметрическим управлением те-пловложением в сравнении с традиционным способом сварки позволяет при сохранении одинаковых энергетических параметров двух процессов (силы тока и напряжения дуги) повысить производительность процесса сварки с управляемым тепловложе-нием и снизить себестоимость технологических процессов сварки и готовой сварочной продукции.

Анализ данных вычислительного эксперимента показал, что использование способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепло-вложением, в сравнении с традиционным способом сварки, позволяет 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. При этом

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

наибольший эффект по повышению производительности и снижению себестоимости процесса сварки наблюдается на скорости сварки 0,32 см/с и частотах поперечных колебаний сварочной дуги в пределах 0,2-0,7 Гц.

энергию сварочной дуги для формирования сварных соединений. Полученные результаты позволят перейти к этапу проектирования энергосберегающих технологических процессов дуговой сварки с управляемым тепловложением.

Выводы и обсуждение

Проведенные исследования показали, что использование способа дуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением, в сравнении с традиционным способом аргонодуговой сварки, при частотах поперечных колебаний сварочной дуги до 2 Гц позволяет уменьшить величину затрат энергии, идущей на формирование сварного шва идентичного сечения. В среднем для условий проведения исследований применение способа сварки с управляемым тепловложением позволяет добиться снижения затрат энергии на формирование единицы площади поперечного сечения на 37%. Расчеты показали, что такое повышение энергоэффективности процесса дуговой сварки при условии получения сварных швов идентичных размеров позволяет увеличить производительность процесса дуговой сварки в среднем на 48%.

Выводы

1. Наибольшая энергоэффективность процесса дуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением наблюдается при скоростях сварки в пределах 0,15-0,32 см/с, частоте поперечных колебаний сварочной дуги в диапазоне 0,20,7 Гц и силе сварочного тока дуги не менее 100 А. При этих условиях, по сравнению с традиционным способом сварки, может быть достигнута экономия энергии, идущей на формирование единицы площади сечения сварного шва, на величину до 47,5%.

2. При постоянной скорости сварки и силе сварочного тока с ростом частоты поперечных колебаний сварочной дуги расход электроэнергии на формирование единицы площади и 1 п.м. шва возрастает. Наименьший расход энергии соответствует частоте 0,25 Гц.

Заключение

Результаты проведенных исследований наглядно показывают, что применение способа дуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением, по сравнению с традиционными технологиями аргонодуговой сварки, позволяет более эффективно и полно использовать тепловую

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 // Сварочное производство. 2010. № 1. С. 3-6.

4. Смирнов И.В., Захаренко А.И., Фюссель У. Уменьшение влияния магнитного дутья на пространственное положение дуги при сварке // Известия Самарского научного центра РАН. 2010. Т. 12, № 4. С. 257-261.

5. Патент на изобретение №2401726 РФ МПК В23К9/08. Способ сварки в защитном газе неплавя-щимся электродом магнитоуправляемой дугой / Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. // Бюл. №29. Опубл. 20.10.2010.

6. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Машнин Н.Е. и др. Управление пространственным положением дуги в процессе сварки корня шва за счет ее собственного магнитного поля // Сб. ст. по докладам Всероссийской научно-технической конференции 15-17 ноября. Тольятти: ТГУ. 2006. Ч. 1. С. 144-147.

7. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Машнин Н.Е. и др. Повышение пространственной устойчивости дуги на кромках при сварке корня шва // Сб. ст. по докладам Всероссийской научно-технической конф. 15-17 ноября. Тольятти: ТГУ. 2006. Ч. 1. С. 141-144.

8. Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987.