Разработка кинематической схемы и исследование процесса управляемого механического переноса при наплавке ленточным электродом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

ЗВАРЮВАЛЬНЕ ВИРОБНИЦТВО

УДК 621.791.92

©Серенко А.Н.1, Лаврова Е.В.2, Иванов В.П.3, Серенко В.А.4

РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЯЕМОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕНОСА ПРИ НАПЛАВКЕ ЛЕНТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Разработана кинематическая схема и исследован процесс управляемого механического переноса электродного металла при наплавке под флюсом ленточным электродом, определена аналитическая зависимость между параметрами движения ленточного электрода как одного из способов управляемого принудительного воздействия на процесс переноса электродного металла.

Ключевые слова: ленточный электрод, принудительный механический перенос электродного металла, инерционная сила, кинематическая модель устройства, электродуговая наплавка, угол изгиба.

Серенко О.М., Лаврова О.В., Иванов В.П., Серенко В.О. Розробка тнематичног схеми i до^дження процесу керованого мехашчного перенесення при наплав-лент стрiчковим електродом. Розроблена ктематична схема та досл1джено процес керованого мехашчного перенесення електродного металу при наплавлент тд флюсом стр1чковим електродом, визначена аналтична залежмсть м1ж параметрами руху стр1чкового електроду як одного iз способ1в керованого примусового впливу на процес переносу електродного металу.

Ключовi слова: стрiчковий електрод, примусове мехатчне перенесення електродного металу, терцтна сила, ктематична модель пристрою, електродугове плав-лення, кут вигину.

O.M. Serenko, O.V. Lavrova, V.P. Ivanov, V.O. Serenko. The development of the kin-ematical scheme and study the process of controlled mechanical transfer during surfacing with the strip electrode. Developed kinematical scheme and to investigate the process managed a mechanical transfer of electrode metal in surfacing submerged tape the electrode, the analytic relationship between the motion parameters strip electrode as a way to manage impact offorced-action on the transfer process of the electrode metal. Keywords: strip electrode, forced mechanical transfer of electrode metal, the inertial force, the kinematics' model of the device, the electric arc overlaying, the angle of the bend.

Постановка проблемы. Анализ дефектов наплавленных изделий показывает, что одной из причин их образования является стохастичность процесса переноса электродного металла с торца ленточного электрода на наплавляемую поверхность. Разработка надежных и простых способов, обеспечивающих управляемый процесс переноса капель с ленточного электрода до настоящего времени не имеют приемлемого решения.

Анализ последних исследований и публикаций. Проблеме переноса капель электродного металла при электродуговой сварке и наплавке посвящено большое количество исследований [1-5].

Известен способ дуговой сварки и наплавки плавящимся электродом, осуществляющийся

1 канд. техн. наук, проф., ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 ассистент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

4 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

с помощью устройства, содержащего механизм импульсной подачи электродной проволоки со специальным редуктором на основе квазиволнового преобразователя и традиционного роликового узла [1]. Существенным фактором, влияющим на эффективность импульсной подачи в техническом и технологическом аспекте, является придание ускорения капли на торце электрода, формируемое механизмом импульсной подачи и системой подачи в целом.

Однако, несмотря на имеющиеся данные, полученные в ИЭС им. Е.О. Патона и другими исследователями, о преимуществах применения механизмов импульсной подачи электродной проволоки, они не получили широкого распространения. Причиной этого является недостаточные для длительного периода эксплуатации надежность механизмов, невозможность получения для ряда механизмов импульсов с требуемыми для эффективного массопереноса характеристиками (шагом, частотой, ускорением).

Существующие механизмы импульсной подачи электродной проволоки [2, 3], с регулированием параметров импульсов, как и многие подобные, не применимы для наплавки под флюсом ленточным электродом с принудительным сбросом электродного металла.

Для наплавки под флюсом ленточным электродом важна не только импульсная подача, но и частота колебаний торца ленточного электрода, а также другие факторы, обеспечивающие принудительный сброс металла для равномерного распределения тепловой энергии в сварочной ванне.

Цель статьи - состоит в получении количественных характеристик разработанной кинематической схемы для регулируемого принудительного механического переноса электродного металла при наплавке под флюсом ленточным электродом.

Изложение основного материала. Для реализации принудительного переноса электродного металла при наплавке под флюсом ленточным электродом предложено устройство, позволяющее производить регулируемый изгиб ленточного электрода за счет наличия шарнира в приставке (рис. 1). Устройство содержит: вращающиеся подающие ролики (1); верхние (2) и нижние (3) направляющие; между направляющими установлен эксцентриковый возбудитель колебаний на валу (4) вращающийся с помощью двигателя; шарнир (5) с помощью которого регулируется угол изгиба; токоподвод (6); ленточный электрод (7) для наплавки изделия (8).

Рис. 1 - Схема устройства для принудительного механического переноса электродного металла: а, б - без начального изгиба ленточного электрода; в - с предварительным изгибом на угол в

Устройство функционирует следующим образом: приводятся во вращение подающие ро-

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2012р. Сер1я: Техн1чн1 науки Вип. 25

ISSN 2225-6733

лики (1) между которыми подается ленточный электрод (7). В процессе подачи электрода осуществляется его изгиб на угол ß с помощью поворота верхних направляющих (2) в шарнире (5) на заданный угол у (ß = 180 — у ). За счет изгиба ленточного электрода в зоне контакта с эксцентриком, осуществляется изменение амплитуды колебаний торца ленты S при прочих неизменных параметрах устройства и стабильном положении нижних направляющих. Важно также отметить, что получаемые при этом колебания ограничиваются небольшим участком длины ленточного электрода.

Известно, что при обычном способе наплавки торец ленточного электрода плавится неравномерно по ширине. Образованные при этом капли расплавленного металла будут иметь случайные размеры и хаотичное расположение на торце, следовательно, электродный металл неравномерно распределяется в сварочной ванне, что может привести к образованию химической неоднородности в наплавленном валике, несплавлению и др. дефектам. Предлагаемое устройство позволяет получить управляемый массоперенос электродного металла за счет возвратно-поступательного движения торца ленты, полученного с помощью эксцентрикового механизма возбуждения изгибных колебаний ленточного электрода в зоне шарнирного соединения верхних и нижних направляющих.

Для получения расчетного алгоритма оценки параметров колебаний торца ленточного электрода согласно предложенному устройству, составим кинематическую схему его, приняв некоторые упрощения реальных взаимодействий всех звеньев устройства (рис. 2).

Пусть начальный угол изгиба ленточного электрода будет равным ß. Тогда, начальное положение верхней части (плеча) электрода АС относительно оси, проходящей через точки А и

В будет определяться углом а1, зависящим от соотношения основных размеров устройства (длин плеч l1 и l2, расстояния АВ, начальной стрелки прогиба CD = а1= l1 sin(a 1)).

Эксцентрик с радиусом r и величиной эксцентриситета е, взаимодействует с ленточным электродом в точке его изгиба С и совершает вращательное движение по часовой стрелке с угловой скоростью с . Постоянство контакта эксцентрика с электродом обеспечивается за счет сил упругости изогнутого электрода. При повороте эксцентрика за время t на угол ф происходит изменение начальной стрелки прогиба электрода на величину f(t), а точка касания эксцентрика с ленточным электродом переместится в точку F. При таком положении эксцентрика начальные длины плеч изогнутой области ленточного электрода l1 и l2 изменяются до значений lt1 и lt2 соответственно, а торец электрода переместится из точки В в точку Е, получая перемещение величиной S(t).

Принимая, что сумма длин l1 и l2 равна l, с учетом заданной

со :

Е

Рис. 2 - Универсальная кинематическая схема устройства для возбуждения колебаний торца ленточного электрода

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2012р. Серiя: Техшчш науки Вип. 25

ISSN 2225-6733

скорости подачи ленточного электрода Vne, можно с достаточной точностью получить простое выражение для определения перемещения торца электрода:

S(t) = l - (/t1 + lt2) + Vnee • t . (1)

Представим зависимость для изменения прогиба электрода от вращения эксцентрика с эксцентриситетом е в виде f (t) = e (1 - cos(ct)). Тогда, определив на основе геометрических соображений величины lti и lt2 как функции времени, выражение (1) можно записать в виде yj(l1 cos(a1) - e sin(ct ))2 + (l1 sin(a1) - e(1 - cos(ct )))2 +

+V(\jl22 - (l1sin(a1)2 + esin(ct))2 + (l1sin(a1) - e(1 - cos(cot)))2

Формула (2) позволяет рассчитать необходимые параметры возвратно-поступательного движения торца ленточного электрода в процессе его плавления. Конечной целью расчетов является определение суммарного вектора сил, действующих на каплю расплавленного электрода, находящуюся на его торце.

Дифференцированием выражения (2) найдем зависимости скорости и ускорения движения торца электрода в процессе наплавки. С учетом заданной величины скорости подачи ленточного электрода (Vne), уравнения для скорости и ускорения могут быть представлены в виде:

S (t) = / -

+ Vne • t (2)

V (t ) =

2we sin(wt)(«j + e(cos(wt)- 1))- 2we cos(wt)(e sin(wt) + \]l22 - aj2) 2yj(e sin(wt)+ у]/2- a12")2+(a1+ e(cos(wt)- 1))2

2wecos(wt)(esin(wt)- lj cos(aj))- 2wesin(wt)(aj + e(cos(wt)- 1))+ v

I 2 2 ne

2^(e sin(wt)- lj cos(a J) + (a1 + e(cos(wt)- 1))

(3)

a(t) =

(2we sin(wt)(a1 + e(cos(wt)- 1))- 2we cos(wt)(e sin(wt) + l22 - aj ))2

+

2

4((esin(wt)+j2rat )2+ (a1 + e(cos(wt)- 1))2)2 2w2e2 cos(wt)2 + 2w2e2 sin(wt)2- 2w2e cos(wt)(a1 + e(cos(wt)- 1)) 2yj(esin(wt)- lj cos(aj))2+(aj+ e(cos(wt)- 1))2 + 2w2e sin(wt)(e sin(wt)- lj cos(aj)) +

2^J(esin(wt)- l1 cos(aj))2+(aj+ e(cos(wt)- 1))2 (2we cos(wt)(e sin(wt)- l1 cos(a j))- 2we sin(wt)(a1 + e(cos(wt)- 1))

3 "

4((esin(wt)- l1 cos(al))2+(al+ e(cos(wt)- 1))2)2 2w2e2 cos(wt)2 + 2w2e2 sin(wt)2 - 2w2e cos(wt)(a1 + e(cos(wt)- 1))

sin(wta,'2)22+(a1+ e(cos(wt)- 1))2 +

2w2e sin(wt)(e sin(wt)+ \jl22 - a12) + sin(wtaj' )2 + (a + e(cos(wt)- 1))-

(4)

Анализ формул (2-4) показывает, что все кинематические величины, характеризующие движение торца ленточного электрода являются многопараметрическими зависимостями, определяемыми как конструктивными соотношениями размеров устройства, так и скоростью вращения возбудителя колебаний.

На рисунке 3 приведены некоторые результаты расчета по аналитическим формулам (2-4) в виде графиков при следующих исходных данных: длины плеч ¡1 = ¡2,=30 мм; эксцентриситет

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2012р. Серiя: Техшчш науки Вип. 25

ISSN 2225-6733

е = 2,5 мм; скорость вращения эксцентрика n = 1500 об/мин. Рассчитывались следующие характеристики движения торца электрода (без учета постоянной составляющей скорости подачи ленты): перемещение электрода S(t), мм; скорость движения торца V(t) мм/с; ускорение движения a(t), мм/с2. Переменными параметрами были: угол изгиба электрода ß и время t.

у = 10°; ß = 170°.

0.3] 0.2 0.1

Л i

-0.

ffiffi

0 0.02 0.04 0.06 0.08

Время t, с у = 20°; ß = 160°.

0.02 0.04 0.06 0.08 Время t, с

у = 40°; ß = 140°.

я я

О)

3 о

(U -У

5 ^

0) 5 Он 2

О _г

с S

Л !> Н о о

о.

§

О

1001

50

-50 100

Время t, с

Л Л

1\ 1\ , j

0 0 м 04 0 V

V V

0S

2x10

я я

<и

s. £

■2x10

\/ \/ \/

«у» оуо

яЗ ш

я к

ш

Он

§

£

2x10

-2x10

4x10

— 4x1 Ф

Время t, с б

Время t, с

Время t, с

Время t, с

\ / \

j \ { л k ) 1

0\J w 0 0' \/ W 0

\ / \ /

\ / \ /

ovo 02/0 04\0 06/0

X«

Рис. 3 - Изменение основных параметров колебательного процесса торца ленточного электрода в зависимости от времени при различных углах изгиба электрода: а - перемещение торца электрода; б - скорость перемещения; в - ускорение движения

а

в

Из рисунка 3 видно, что при изменении угла изгиба в изменяются не только числовые характеристики процесса колебания, но и характер кривых. Так, например, при угле в = 170° частота колебаний торца ленты будет в два раза больше по сравнению с частотой при других величинах угла, что объясняется особенностями кинематики предлагаемого устройства.

Известно, что при дуговой сварке (наплавке) на каплю расплавленного металла действует

система сил: Fct - сила тяжести, Н; Fed - электродинамическая сила, Н; Fpn - сила поверхностного натяжения, Н; Fr - сила реактивного давления паров газов, Н.

При воздействии механических колебаний на торец ленточного электрода появляется новая инерционная сила Ёси (t), Н, действующая на каплю электродного металла, которая при

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

наплавке под флюсом ленточным электродом, зависит от массы капли mk и ускорения движения торца электрода, меняющегося в процессе наплавки

Fcu (t )= m а (t). (5)

Средняя скорость плавления ленточного электрода по всей ширине будет равна скорости подачи электрода. Тогда за одну секунду длина расплавленного участка ленты может быть определена по зависимости А/ = Vne ■ t, м, а масса расплавленного металла будет зависеть от поперечного сечением электрода Ae и плотности его материала р : - me = А/Аер, кг.

Для получения стабильного процесса переноса расплавленного металла в сварочную ванну необходимо выбрать такие параметры колебательного процесса, чтобы при заданных режимах наплавки обеспечивался сброс капель электродного металла за каждый цикл колебания. Тогда масса сбрасываемой капли будет определяться в зависимости от выбранной кинематической схемы возбуждения колебаний конца ленты (см. рис. 1), размерных конструктивных параметров устройства и скорости вращения возбудителя колебаний: mk = mejnc (nc - скорость

вращения эксцентрика, об/с). Очевидно, что при анализе эффективности тех или иных параметров управления процессом массопереноса электродного материала рассматриваемого здесь устройства, наибольший интерес вызывает получение максимального ускорения движения торца электрода и, следовательно, максимальной силы отрыва капли.

Проектируя равнодействующую всех сил, приложенных к капле, на вертикальную ось (при наплавке в нижнем положении), можно оценить её расчетное значение для двух вариантов наплавки: с учетом действия принудительного механического переноса (Ryu ) и без него (Ry).

Тогда, эффективность какого-либо параметра управления процессом массопереноса электродного материала, можно оценить коэффициентом увеличения силы отрыва за счет действия инерционной силы

Ryu (t)

K(t) = ^ i. (6)

Ry (t)

Не рассматривая здесь множество вариантов сочетания различных параметров управления процессом массопереноса с помощью предложенного устройства, приведем результаты расчета максимальной величины коэффициента K в зависимости от трех основных параметров (рис. 4): угла поворота верхних направляющих у, величины эксцентриситета е и скорости вращения эксцентрика n.

Угол поворота Эксцентриситет Скорость вращения

а б в

Рис. 4 - Зависимость коэффициента увеличения силы отрыва капли от различных параметров (параметры см. в тексте)

Расчеты проводились при следующих параметрах: а - 11 = /2, =30 мм; е =1,0 мм; п = 500,

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

1000, 1500, 2500 об/мин., графики 1, 2, 3, 4 соответственно; б - l1 = l2,=30 мм; n = 1500 об/мин, у = 10, 20, 50 , графики 1, 2, 3 соответственно; в - l1 = l2,=30 мм; е =1,0 мм; у = 10, 20, 30, 50 , графики 1, 2, 3, 4 соответственно.

Как видно из графиков на рис. 4, посредством регулирования размерных конструктивных параметров предложенного устройства и скорости вращения возбудителя колебаний, можно получить многократное увеличение силы отрыва капель расплавляемого электрода по сравнению с обычными устройствами подачи ленты. За счет этого достигается контролируемая регулярность перехода капель жидкого металла в сварочную ванну, повышение качества наплавленного металла и уменьшение вероятности и появления дефектов типа несплавлений. На основании полученных расчетных результатов можно говорить о целесообразности применения разработанного устройства для наплавки под флюсом ленточным электродом с принудительными механическими колебаниями его торца.

Выводы:

1. Рассмотрены и исследованы варианты кинематических схем устройств принудительного механического переноса. Доказано, что наиболее эффективное управление переносом электродного металла обеспечивает предлагаемая конструкция на основе универсальной схемы, позволяющая использовать в качестве управляющих параметров угол изгиба ленточного электрода 120-140°, размер эксцентриситета 0,5-1,5 мм и частоту вращения эксцентрика 4060 Гц.

2. На основе математического анализа импульсного переноса разработаны основные закономерности процесса плавления ленточного электрода при использовании механического принудительного переноса, проанализировано влияние параметров устройства подачи электрода на процесс формирования наплавленного слоя. Предложена методика расчета кинематических параметров механического управляемого переноса при наплавке ленточным электродом под слоем флюса.

Список использованных источников:

1. Патон Б.Е. Анализ технических и технологических возможностей импульсной подачи электродной проволоки в процессах дуговой сварки и наплавки / Б.Е.Патон, В.А. Лебедев // Сварочное производство. - 2002. - №2. - С. 24-31.

2. Лебедев В.А. Механизмы импульсной подачи электродной проволоки с регулированием параметров импульсов / В.А. Лебедев, В.Г. Пичак // Автоматическая сварка. - 2001. - №5. -C. 31-37.

3. Патент 24440 Украина. МПК В23К 9/12 Споаб дугового зварювання електродом, що плавиться. Б.И. Носовский, М Б. Носовский; ПГТУ - № u 1997 97041923; Заявл. 22.04.97; Опубл. 30.10.98, Бюл. №5.

4. Патент 44885 Украина. МПК В23К 9/12 Споаб широкошарового наплавлення тд флюсом с^чковим електродом. Е.В. Лаврова, Б.И. Носовский; ПГТУ - № u 2008 10823; Заявл. 01.09.2008; Опубл. 26.10.2009, Бюл. №20.

5. Носовский Б.И. Разработка методики выбора параметров наплавки ленточным электродом с принудительным механическим переносом жидкого металла / Б.И. Носовский, Е.В. Лаврова // Автоматическая сварка. - 2011. - № 3. - С. 30-33.

Bibliography:

1. Paton B.E. Analysis of the technical and technological capabilities of pulsed wire feed in the process of arc welding and surfacing / B.E. Paton, V.A. Lebedev // Welding production. - 2002. -№2. - С. 24-31. (Rus.)

2. Lebedev V.A. Mechanisms of pulsed wire feed control with pulse parameters / V.A. Lebedev, V.G. Pichac // Automatic welding. - 2001. - №5. - C. 31-37. (Rus.)

3. Patent 24440 Ukraine. By the MPK V 23К 9/12 Method of arc welding electrode melts. B.I.Nosovskiy, M B. Nosovskiy; PGTU - № u 1997 97041923; Zayavl. 22.04.97; Opubl. 30.10.98, Byul. №5. (Ukr.)

4. Patent 44885 Ukraine. By the MPK V23K 9/12 Method of wide deposition with the submerged arc strip electrode. E.V. Lavrova, B.I. Nosovskiy; PGTU - № u 2008 10823; Zayavl. 01.09.2008;

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2012р. Серiя: Техшчш науки Вип. 25

ISSN 2225-6733

Opubl. 26.10.2009, Byul. № 20. (Ukr.) 5. Nosovskiy B.I. Developing of methods of deposition parameters choice by a strip electrode with the forced mechanical transfer of liquid metal / B.I. Nosovskiy, E.V. Lavrova // Automatic welding. - 2011. - № 3. - P. 30-33. (Rus.)

Рецензент: А.Д. Размышляев д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 11.09.2012

УДК 621.791.75

©Размышляев А.Д.1, Миронова М.В.2, Ярмонов С.В.3

О СТРОЕНИИ ПОПЕРЕЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ГЕНЕРИРУЕМОГО УСТРОЙСТВАМИ ВВОДА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДУГОВОЙ СВАРКЕ И НАПЛАВКЕ

Установлено, что строение магнитного поля, генерируемого устройствами ввода для процессов дуговой сварки и наплавки, зависит от параметра, связанного с величиной поперечного сечения его стержней.

Ключевые слова: дуговая сварка и наплавка, поперечное магнитное поле, устройство ввода, индукция магнитного поля, сечение стержней электромагнита.

Размишляев О.Д., MipoHoea М.В., Ярмонов С.В. Про будову поперечного магшт-ного поля, що генеруються пристроем введення стосовно до дугового зварюван-ня й наплавлення. Встановлено, що будова магнтного поля, що генеруеться при-строями введення для процеав дугового зварювання й наплавлення залежить в1д параметра, пов'язаного з величиною поперечного перер1зу його стрижтв. Ключовi слова: дуговезварювання й наплавлення, поперечне магнтне поле, при-строг введеня, тдукщя магнитного поля, перер1з стрижмв електромагнту.

O.D. Razmyshljaev, M. V. Mironova, S. V. Yarmonov. About the structure of transverse magnetic field generated by input devices applied to arc welding and surfacing. It has

been stated that the structure of magnetic fie/d generated by the input devices for arc we/ding and surfacing depends on the cross-section of the rods.

Keywords: arc we/ding and surfacing, transversa/ magnetic fie/d, the input devices, magnetic fie/d induction, the cross-section of the e/ectromagnet.

Постановка проблемы. Разработка устройств ввода магнитного поля для повышения эффективности процессов дуговой сварки и наплавки.

Анализ последних исследований и публикаций. В работе [1] показано, что применение поперечного магнитного поля (ПОМП) при дуговой сварке и наплавке под флюсом позволяет увеличить коэффициент расплавления электрода на 20...30 %. В работе [2] установлено, что при дуговой сварке и наплавке с воздействием ПОМП возможно эффективно управлять глубиной и площадью зоны проплавления основного металла.

Однако в большинстве работ конструкции устройства ввода (УВ) ПОМП либо не приведены [3-5], либо приведены конструкции, пригодные только для исследовательских целей [6]. Вопрос об оптимальности конструкций УВ ПОМП в упомянутых работах не обсуждался. В зоне капли на торце электрода сварочной дуги и жидкого металла ванны необходимо обеспечить максимум значений поперечной (горизонтальной) компоненты индукции (Вх, либо Ву) и мини-

1 д-р техн. наук, профессор ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

3 аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь