CC BY
9Статья поступила в редакцию 17.12.12. Ред. рег. № 1481 The article has entered in publishing office 17.12.12. Ed. reg. No. 1481
УДК 621.791.01
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ ДЛЯ СВАРКИ В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
И.В. Смирнов, А.И. Смирнова, Д.И. Архипкин
Тольяттинский государственный университет 445667 Самарская обл., Тольятти, ул. Белорусская, д. 14 Тел./факс: (8482) 53-92-45, 8-9372-15-32-87, e-mail: anna.211@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 18.12.12 Заключение совета экспертов: 19.12.12 Принято к публикации: 21.12.12
В статье приводятся результаты применения энергоэффективной технологии дуговой сварки с управляемым тепло-вложением для сварки в защитном газе плавящимся электродом.
Ключевые слова: дуговая сварка плавящимся электродом, энергоэффективность, управление тепловложением.
THE POSSIBILITY OF USING ENERGY EFFICIENT TECHNOLOGY OF ARC WELDING WITH CONTROLLED HEAT INPUT WELDING IN INERT GAS
CONSUMABLE ELECTRODE
I.V. Smirnov, A.I. Smirnova, D.I. Arkhipkin
Togliatti State University 14 Belorusskaya str., Togliatty, Samara region, 445667, Russia Tel./fax: (8482) 53-92-45, 8-9372-15-32-87, e-mail: anna.211@rambler.ru
Referred: 108.12.12 Expertise: 19.12.12 Accepted: 21.12.12
The paper presents the results of energy-efficient technologies arc welding with controlled heat input welding in inert gas consumable electrode.
Keywords: arc welding with consumable electrode, energy efficiency, management of heat input.
Повышение энергоэффективности промышленных предприятий, снижение потребления ими электроэнергии является приоритетной задачей в развитии науки и техники. Сварка является наиболее универсальным и широко распространенным технологическим процессом в промышленности. Поэтому решения в области повышения энергоэффективности сварочной техники и технологий являются весьма перспективными и востребованными современными машиностроительными предприятиями.
На сегодняшний день в производство из исследовательских лабораторий постепенно начинает выходить новый способ аргонодуговой сварки неплавя-щимся электродом с управляемым тепловложением. Суть данного способа сварки достаточно полно описана в работах [1-3]. Исследования, проведенные авторами данной разработки, наглядно показывают, что применение принципа пространственно-парамет-
рического управления тепловложением позволяет повысить эффективность ввода тепла сварочной дуги в свариваемое изделие в среднем на 61% в сравнении с традиционным способом аргонодуговой сварки [4, 5]. Это позволяет снизить затраты электроэнергии (энергопотребление) на образование единицы площади сварного соединения в среднем на 36%. Также наглядно показано, что применение новой топологии построения источника питания для реализации способа дуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением позволяет повысить коэффициент полезного действия инвертор-ного источника питания в среднем на 6,5% [6].
Приведенные выше цифры доказывают эффективность применения принципа пространственно-параметрического управления тепловложением для целей повышения энергоэффективности технологических процессов дуговой сварки. Однако предла-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
гаемые сегодня готовые технические решения применимы только для процесса аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом. В то же время наибольший объем применения в промышленности находят способы дуговой сварки в защитном газе плавящимся металлическим электродом. По данным ряда статистических и маркетинговых исследований, объем применения этих способов в общей массе доходит до 73% (характерно для промыш-ленно развитых стран).
Следующим, наиболее перспективным направлением внедрения технологии дуговой сварки с пространственно-параметрическим управлением тепло-вложением является внедрение этой технологии в процессы дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа. Однако простое перенесение результатов исследований, полученных для процесса сварки неплавящимся электродом, в данном случае неприемлемо. Проблема заключается в существенных отличиях процессов сварки неплавящимся и плавящимся электродами в защитном газе. При сварке плавящимся электродом расплавленный электродный металл переносится через сварочную дугу, чего не наблюдается при сварке неплавящимся электродом. Отсюда и вытекают отличия двух технологических процессов сварки. Основные из преимуществ способа сварки плавящимся электродом следующие:
- меньшая длина сварочной дуги;
- циклические изменения длины сварочной дуги;
- циклические изменения силы сварочного тока, протекающего по сварочной цепи.
Указанные особенности могут приводить к снижению эффективности применения принципа управления пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля для процесса сварки плавящимся электродом в среде защитного газа.
В первую очередь необходимо удостовериться, что использование принципа управления пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля будет приводить к изменению пространственного положения сварочной дуги на свариваемых элемен-
тах. Для этой цели были выполнены экспериментальные исследования.
Учитывая специфику процесса сварки в защитном газе плавящимся электродом, исследования выполнялись для трех характеристических состояний сварочной системы:
- сварка с короткими замыканиями дугового промежутка, когда длина дуги циклически изменяется от максимальной до ее полного исчезновения;
- капельный перенос, когда дуговой разряд (сварочная дуга) существует всегда, но происходит циклическое изменение длины дуги и силы тока. Величина изменений длины дуги будет определяться размерами капель;
- мелкокапельный или струйный перенос, когда дуга существует всегда, с практически постоянной длиной дуги и стабильным значением сварочного тока.
Объектом исследования выступил процесс сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа стальной проволоки диаметром 1,0 мм. Целью исследования являлось установление наличия эффекта отклонения сварочной дуги от оси электрода при подводе тока через контакт, расположенный на поверхности изделия в непосредственной близости от сварочной горелки. Исследование проводилось в виде серии из двух экспериментов. В первой серии экспериментов процесс сварки выполняется по традиционной схеме с подводом тока к изделию через неподвижно закрепленный токоподвод вдали от места сварки. Во второй серии экспериментов процесс выполняется по схеме сварки с подводом тока к изделию через скользящий контакт, расположенный на поверхности изделия в непосредственной близости от сварочной горелки. Эксперименты выполняются для случая наплавки валика в нижнем положении на плоский стальной образец размером 150x400x8 мм из стали марки СтЗсп. Используемые сварочные материалы - сварочная проволока марки Св-08Г2С диаметром 1,0 мм, защитный газ - углекислый газ технический по ГОСТ 8050.
Для обеспечения перехода технологической сварочной системы во все три исследуемые состояния в отношении характера каплепереноса были подобраны режимы сварки, отраженные в табл. 1.
Таблица 1
Режимы сварки, обеспечивающие переход сварочного процесса в характеристические состояния
для проволоки диметром 1,0 мм
Table 1
Welding to ensure the transition of the welding process in the acoustic characteristics of the state of the wire with a diameter of 1.0 mm
№ режима Сила сварочного тока, А Напряжение дуги, В Состав защитной среды Расход защитного газа, л/мин
1 40 18,8
2 138 25 100% CO2 10
3 245 30,1
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (116) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Энергосберегающие технологии, системы, материалы и приборы
Таблица 2
Результаты эксперимента по выявлению влияния токоподвода на характер горения сварочной дуги
Table 2
Results of the experiment to detect the influence of current supply to the burning behavior of the arc
№ п/п Номер режима Сила сварочного тока, А Напряжение дуги,В Диаметр проволоки, мм Расстояние от проволоки до токоподвода, мм Угол отклонения дуги,град
1 1 40 18,8
2 2 138 25 --- 0
3 3 245 30,1 1,0
4 1 40 18,8 28
5 2 138 25 25 31,5
6 3 245 30,1 39
При исследовании процесса сварки с применением принципа пространственно-параметрического управления тепловложением расстояние от оси электрода до контакта скользящего токоподвода, расположенного на поверхности изделия, принималось равным 25 мм. При этом в каждом опыте устанавливали наличие и величину отклонения сварочной дуги от оси электродной проволоки.
В соответствии с разработанным планом эксперимента на режимах, приведенных в табл. 1, были
проведены экспериментальные наплавки на плоскость. Результаты экспериментальных исследований в виде углов отклонения сварочной дуги, определенных по кадрам скоростной фотосъемки (30 кадров/с), приведены в табл. 2.
Наиболее характерные кадры процесса, соответствующие различным режимам сварки при традиционном процессе сварки и процессе сварки с токопод-водом, находящимся на расстоянии 25 мм от оси электрода, приведены на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид сварочной дуги при традиционном процессе сварки (а - с) и процессе сварки с токоподводом,
находящимся на расстоянии 25 мм от оси электрода (d - f). Номера режимов сварки в соответствии с табл. 1 Fig. 1. The appearance of the arc welding process in the traditional (a - c) and the welding process with power connection located at a distance of 25 mm from the electrode axis (d - f). Number of welding in accordance with Table 1
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Выводы и обсуждение
Выводы
При анализе фотографий процесса сварки с токо-подводом, находящимся на поверхности изделия на расстоянии 25 мм от оси электрода, установлено, что во всех экспериментальных случаях визуально наблюдается эффект отклонения сварочной дуги от оси электрода в сторону от токоподвода. Анализ углов отклонения позволил установить их количественные значения, приведенные в табл. 2. Данные таблицы показывают, что при увеличении сварочного тока наблюдается незначительный рост угла отклонения сварочной дуги. Графически зависимость угла отклонения сварочной дуги от величины сварочного тока при сварке плавящимся электродом представлена на рис. 2.
Угол отклонения дуги, град.
40
39*.
28
38
32
26
О 50 150 250
Величина сварочного тока, А
Рис. 2. Зависимость угла отклонения сварочной дуги от оси электродной проволоки от величины сварочного тока при сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и расстоянии от контакта токоподвода до оси электрода 25 мм Fig. 2. The dependence of the deflection angle of the arc from the axis of the electrode wire from the welding current during welding consumable electrode in carbon dioxide environment and distance from the current supply contact to the electrode axis 25 mm
Установленные закономерности указывают на то, что при сварке плавящимся электродом применение принципа отклонения сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля приводит к изменению пространственного положения сварочной дуги аналогично тому, как это происходит при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом. Величины зафиксированных углов отклонения сварочной дуги достаточно близки по своим значениям к величинам углов отклонения дуги при сварке непла-вящимся электродом. Величина непосредственно наблюдаемого визуально смещения активного пятна дуги на поверхности изделия оказалась меньше, чем при сварке неплавящимся электродом. Вероятнее всего уменьшение величины смещения активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны вызвано тем, что длина дуги при сварке плавящимся электродом может быть до 2-3 раз меньше, чем при сварке неплавящимся электродом. Поэтому несмотря на то, что величина угла отклонения сварочной дуги соизмерима с аналогичным углом при варке неплавящимся электродом, за счет сокращения длины сварочной дуги величина непосредственного смещения активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны оказывается меньше.
1. Во всех экспериментальных случаях сварки наблюдается эффект отклонения сварочной дуги от оси электрода в сторону от токоподвода, а величины углов отклонения сварочной дуги при сварке плавящимся электродом достаточно близки по своим значениям к величинам углов отклонения дуги при сварке неплавящимся электродом.
2. Наблюдаемое при сварке плавящимся электродом уменьшение величины смещения активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны вызвано не уменьшением эффективности принципа управления пространственным положением сварочной дуги, а естественным сокращением длины сварочной дуги при сварке плавящимся электродом.
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования позволили достоверно показать эффективность применения принципа управления пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля применительно к процессу сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа. Полученные результаты открывают возможности разработки энергоэффективных технологий сварки для процесса сварки плавящимся электродом в среде защитного газа.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение №14.В37.21.1501.
Список литературы
1. Смирнов И.В., Захаренко А.И. Управление тепловложением в свариваемые кромки при дуговой сварке неплавящимся электродом // Сварочное производство. 2009. № 12. С. 32-36.
2. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. Специфические аспекты описания процесса автоматической арго-нодуговой сварки дугой, отклоняемой собственным магнитным полем // Там же. 2010. № 1. С. 3-6.
3. Патент на изобретение №2401726 Российская Федерация МПК В23К9/08. Способ сварки в защитном газе непла-вящимся электродом магнитоуправляемой дугой / Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. // Бюлл. № 29. опубл. 20.10.2010.
4. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Архипкин Д.И. Расчетная оценка энергоэффективности процесса дуговой сварки с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2012. №7. C. 170-174.
5. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Архипкин Д.И. Экспериментальные исследования энергоэффективности процесса аргонодуговой сварки с управляемым тепловложением // Там же. № 8. C. 131-136.
6. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Хурин С.А., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Гилязев Э.С. Сравнение показателей энергоэффективности традиционного инверторного источника питания для дуговой сварки и инверторного источника питания для сварки с управляемым тепловло-жением // Там же. C. 138-141.
- TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (116) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
