Двухдуговая двухсторонняя сварка в аргоне

В. П. Сидоров, С. А. Хурин




        ДВУХДУГОВАЯ ДВУХСТОРОННЯЯ СВАРКА В АРГОНЕ

Монография


























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791
ББК 34.641
     С34


Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой информатики и систем управления Волжского университета им. В. Н. Татищева С. В. Краснов;
д-р техн. наук, профессор Тольяттинского государственного университета А. И. Ковтунов


     Сидоров, В. П.
С34 Двухдуговая двухсторонняя сварка в аргоне : монография / В. П. Сидоров, С. А. Хурин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 196 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1248-3

           Приведены результаты исследований процесса двухдуговой двухсторонней аргонодуговой сварки. Предложена математическая модель формирования швов стыковых соединений без разделки сварочных кромок и подачи присадочной проволоки. Изложена методика расчета оптимальных параметров процесса. Приведено сравнение производительности и энергетической эффективности различных способов сварки без разделки кромок. Показано повышение производительности соединения в исследуемом способе сварки по сравнению с традиционным способом АРДС в несколько раз.
           Для научных работников и инженеров производства, а также преподавателей и студентов высших технических учебных заведений.

УДК 621.791
ББК 34.641










ISBN 978-5-9729-1248-3

     © Сидоров В. П., Хурин С. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
Глава I. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БЕЗ РАЗДЕЛКИ КРОМОК..........................7
1.1. Характеристики эффективности процесса сварки................7
1.2. Увеличение мощности дуги...................................15
1.3. Применение активирующих флюсов.............................17
1.4. Сварка заглубленной и проникающей дугой....................18
1.5. Сварка трехфазной дугой....................................20
1.6. Тандемная сварка...........................................21
1.7. Двухсторонняя сварка.......................................24
1.8. Анализ методов расчета размеров сварочной ванны............26
Глава II. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХДУГОВОЙ СВАРКИ .........................................................42
2.1. Схема процесса и методика экспериментов....................42
2.2. Математическая модель ДДС..................................48
2.3. Методика определения параметров математической модели......52
2.4. Апробация методики моделирования...........................64
2.4.1. Определение зависимости qc и qo от тока и длины дуги..........65
2.4.2. Адекватность модели двухдуговой двухсторонней сварки без смещения дуг................................................68
2.4.3. Анализ режимов сварки титанового сплава..................71
2.4.4. Сравнение расчетов с данными других авторов..............75
Глава III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ДВУХДУГОВОЙ ДВУХСТОРОННЕЙ СВАРКИ................................85
3.1. Предельные возможности проплавления при аргонодуговой сварке....85
3.2. Влияние подогрева пластин на эффективность проплавления металла.93
3.3. Односторонняя тандемная сварка.............................97
3.4. Двухсторонняя двухдуговая сварка..........................100
3.4.1. Соосное расположение источников тепла...................100
3.4.2. Влияние соотношения мощностей на провар ................101
3.4.3. Влияние поперечного смещения теплоисточников на провар .103
3.4.4. Влияние продольного смещения на форму ванны при ДДС.....105
Глава IV. МЕТОДИКА РАСЧЕТА РЕЖИМОВ И ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ ДДС.........................................134
4.1. Методика проектирования режимов ДДС.......................134
4.2. Сравнение эффективности сварочных процессов.....................140

3

4.3. Определение предельных возможностей ДДС и ее эффективности..... 152
4.4. Регулирование термических циклов при ДДС................155
4.5. Исследование влияния отклонения параметров модели на провар при ДДС............................................161
4.5.1. Влияние отклонений толщины листа......................161
4.5.2. Отклонения начальной температуры металла..............166
4.5.3. Отклонения по теплофизическим характеристикам металла.168
4.5.4. Методика учета нерегулируемых параметров..............171
Глава V. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДВУХДУГОВЫХ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ.............................................173
5.1. Современные системы двудуговой сварки...................173
5.2. Электрическая схема двухдуговой сварки..................174
5.3. Разработка сварочного источника питания.................175
5.3.1. Требования к характеристикам и конструкции источника питания.176
5.3.2. Разработка функциональной и принципиальной электрических схем источника питания............................................177
5.3.3. Выбор интерфейса системы управления источником питания.......179
5.3.4. Создание программного обеспечения для осуществления работы системы управления источником питания и настройка
интерфейсного устройства.....................................182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................184
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................185

4

ВВЕДЕНИЕ


    В сварочном производстве наиболее актуальными проблемами являются повышение качества сварных соединений и повышение производительности сварки, что одновременно означает повышение эффективности сварочного производства. Однако добиться одновременного повышения качества и производительности процесса сварки достаточно сложно.
    Трудность одновременного повышения как качества, так и производительности возрастает с увеличением толщины свариваемых стыков. При достижении определенной толщины возникает необходимость скашивать свариваемые кромки, что существенно снижает общую производительность и повышает вероятность появления дефектов сварки.
    На сегодняшний день применяется в основном сварка неплавящимся и плавящимся электродом в инертной среде и сварка плавящимся электродом в активной среде. Наибольшее распространение получила сварка плавящимся электродом в активной среде (в газовой или флюсовой), так как данный вид сварки обладает наибольшей производительностью при удовлетворительном качестве. Менее распространен способ сварки неплавящимся электродом в инертной среде. Данным способом обеспечивается наивысшее качество, но меньшая производительность. Из-за сложности и дороговизны оборудования, ряда технологических ограничений реже используют такие способы сварки, как лазерная, трением с перемешиванием, электронно-лучевая и др.
    Наиболее перспективным способом сварки является сварка неплавящимся электродом в инертной газовой среде. Однако для этого способа следует решить проблему повышения производительности.
    Очевидным является повышение производительности за счет повышения мощности дугового разряда и, соответственно, скорости сварки. Однако с повышением мощности дуги и скорости сварки существует некоторое предельное соотношение, при превышении которого появляются недопустимые дефекты шва из-за высокого давления дуги на жидкую сварочную ванну. В последнее время все больше исследований проводят в области расщепления одной мощной дуги на две и более менее мощных, следующих друг за другом или параллельно друг другу на некотором расстоянии, что позволяет увеличить скорость сварки и снизить давление на жидкую ванну. Однако при таком расположении дуг повышается вероятность получения прожога при действии возмущений при сварке.
    В последнее время появились исследования по двухсторонней двухдуговой сварке с соосным расположением электродов и образованием отверстия в сварочной ванне. Однако из-за недостатка экспериментальных данных способ не применяется на производстве.

5

    На основании вышеизложенного можно заключить, что технологические возможности однодуговой сварки по повышению производительности практически во многом исчерпаны, и следует большее внимание уделить многодуговым способам сварки. При этом, по возможности, следует снизить чувствительность процесса к технологическим возмущениям.
    Содержанием данной работы является повышение эффективности и расширение технологических возможностей дуговой сварки в защитных газах путем теоретической разработки оптимальных параметров процессов на основе теории распространения тепла при сварке.

6

Глава I. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БЕЗ РАЗДЕЛКИ КРОМОК

1.1. Характеристики эффективности процесса сварки

    Анализ технологии получения сварных соединений различных конструкций показывает, что время подготовительных работ в основном уходит на механическую обработку кромок и сборку стыка и зачастую превышает основное время сварки. Выполненная разделка кромок при сварке заполняется присадочным металлом, что дополнительно снижает эффективность сварочного производства.
    Постоянно ведущаяся разработка новых высокопрочных сталей и сплавов с особыми свойствами позволяет получать более жесткие и долговечные конструкции при уменьшении их веса. Однако использование новых материалов может привести к необходимости применения нового способа сварки, так как возрастают требования к однородности химического состава, структуры и механических характеристик шва, зоны термического влияния (ЗТВ) и основного металла. По мнению многих исследователей наиболее гибким является процесс дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов, так как в этом способе дуговой разряд взаимодействует только с основным металлом, а в результате применения широкого спектра присадочных проволок легко регулировать химический состав шва. Способ имеет достаточно широкие возможности раздельного регулирования мощности, передаваемой к изделию и присадочной проволоке. Однако низкая производительность процесса оставляет ему место преимущественно для сварки дорогостоящих сплавов или ответственных стыков. Поэтому исследования, направленные на повышение производительности процесса сварки неплавящимся и плавящимися электродами в среде инертных газов являются актуальными.
    Сварочный ток и скорость сварки обеспечивают необходимое тепловложе-ние и выбираются в зависимости от химического состава сплава и толщины свариваемого металла. Формирование и размеры шва при сварке неплавящимся электродом зависят от теплового и механического воздействия дуги на сварочную ванну. При сварке на токах до 150 А проплавление достигается главным образом за счет теплопроводности от дуги и конвекции расплавленного металла, влияние же давления дуги незначительно [1].
    Одинаковую глубину проплавления можно получить при изменении сварочного тока и скорости сварки в широких пределах. При увеличении сварочного тока скорость сварки пластин данной толщины можно увеличивать примерно по линейной зависимости. При увеличении свариваемой толщины ско

7

рость сварки приходится снижать. Максимально возможная скорость сварки ограничена в связи с появлением подрезов и других дефектов шва, обусловленных возрастанием тока и, соответственно, давления дуги.
    В диапазоне сварочных токов 250-600 А существенную роль в проплавлении и формировании шва играет механическое воздействие дуги.
    Зависимости рисунка 1.1 [1] демонстрируют влияние сварочного тока на параметры проплавления и силовое воздействие дуги на сварочную ванну. Зависимости глубины H и ширины В проплавления сварочной ванны получены при сварке пластин из высоколегированной стали 1Х18Н9Т толщиной 5 = 16 мм со скоростью сварки Vc = 0,278 см/с.
    Допустимая скорость сварки Vmax на токах 300, 400, 500, 600 А определялась по характеру формирования сварочной ванны и наличию дефектов в шве, которые выявлялись внешним осмотром, рентгеновским контролем и анализом макрошлифов.

Рис. 1.1. Влияние тока сварки на параметры шва и его формирование [1]

    Увеличение сварочного тока с 300 до 600 А приводит к линейному возрастанию силового воздействия дуги с 6-10² Н до 15-10² Н. В связи с этим активное пятно дуги углубляется в расплавленный металл, в результате чего уменьшается жидкая прослойка под дугой и улучшаются условия теплопередачи в основной металл. Глубина проплавления Н увеличивается на 40-80 %, а ширина В возрастает почти в 2 раза. Более медленный рост проплавляющего действия дуги связан с тем, что с увеличением сварочного тока одновременно растут диаметры столба дуги и пятна нагрева, а плотность теплового потока в изделие меняется незначительно.


8

    Область хорошего формирования швов ограничена кривой максимально допустимой скорости сварки Vmax. В диапазоне токов до 400 А допустимая скорость сварки снижается плавно, а в диапазоне токов 400-500 А резко падает. При скоростях сварки ниже критической шов формируется равномерно, расплавленный металл заполняет шов по всей ширине. Если скорость сварки превышает допустимую, наблюдается периодическое нависание верхних слоев расплавленного металла над кратером сварочной ванны и захлестывание газов столба дуги с образованием газовых полостей в швах. В корневой части шва иногда образуются непрерывные газовые каналы. Вероятность появления этих дефектов шва снижается при использовании гелия вместо аргона, уменьшении длины дуги или увеличении угла заточки вольфрамового электрода.
    Так как увеличение глубины проплавления за счет повышения сварочного тока при аргонодуговой сварке (АРДС) сталей связано с ограничением допустимой скорости сварки и необходимостью поддержания параметров режима с высокой точностью, то односторонние стыковые соединения сталей толщиной свыше 4 мм, как правило, выполняются с разделкой кромок. Аналогичный предел толщины для алюминиевых сплавов примерно на 2 мм больше.
    Длина дуги является одним из основных параметров, влияющих на формирование шва и проплавляющую способность дуги. Она выбирается в зависимости от типа соединения, марки и толщины свариваемого металла. Для сварки без присадочной проволоки длина дуги устанавливается в пределах 0,5-2,0 мм, а при использовании присадочной проволоки длина дуги может быть увеличена до 3-4 мм. С удлинением дуги линейно растет напряжение дуги, увеличивается ее диаметр и пятно нагрева. Как правило, глубина проплавления несколько уменьшается при увеличении длины дуги, а ширина шва во всех случаях возрастает.
    Стабильность проплавления при сварке длинными, свыше 4 мм, дугами снижается из-за увеличения подвижности дуги. Случайные отклонения дуги возникают в результате магнитного дутья у края пластины или вызываются электромагнитными силами, возникающими в результате взаимодействия тока дуги с током в изделии, направление которого зависит от расположения места токоподвода.
    Постоянство параметров проплавления при автоматической сварке обеспечивается поддержанием заданной длины дуги с точностью до ±3 %.
    В последние годы для оценки энергетической эффективности процесса сварки стали чаще использовать удельную энергию сварки [3].

9

    Удельной энергией сварки называют отношение:


    е ₌ q ₌ q

VCh  J


(1.1)

где q и - эффективная мощность источника тепла, Вт;
    h - провар, см;
    Vc - скорость перемещения источника тепла по изделию.
    Размерность Е Дж/см², то есть эта величина показывает количество энергии, израсходованной на создание 1 см² соединения непосредственно в стыке. Очевидно, что чем меньше Е, тем меньше термическое воздействие на основной металл при сварке и меньше ширина зоны структурных изменений. Поэтому при сварке нужно стремится к уменьшению Е.
    Известно, что различные способы сварки существенно отличаются по средним значениям удельной энергии Е [3,8].
    В работе [9] удельную энергию сварки называют удельной погонной энергией сварки. По приведенным в этой работе данным она линейно увеличивается с ростом свариваемой толщины.
    В работе [85] авторами предложено использовать в качестве отдельного показателя производительность образования соединения при сварке, которая является знаменателем выражения (1.1):
J = h ■ VC , см²/с.                   (1.2)


    Показатель J хорошо отражает сущность сварки - получение площади соединения на требуемой поверхности в единицу времени. В случае если провар достигается на всю толщину пластин, то вместо провара h должна использоваться толщина пластин 8. Представление о достигаемых производительностях соединения можно получить на основе анализа рекомендуемых режимов сварки. Помимо удельной энергии сварки с помощью J можно определять и другие показатели эффективности процесса: расхода защитного газа, присадочного металла, трудозатрат.
    Рекомендуемый режим сварки высоколегированной стали 1Х18Н9Т [1] толщиной 2,5 мм: ток дуги 200 А и скорость сварки 0,583 см/с дают значение скорости соединения при сварке J = 0,15 см²/с и удельное энергии сварки Е = 9,6 кДж/см². Эти данные можно принять за базовые при сравнении эффективности АРДС с другими способами сварки.
    В качестве важного показателя дуговой сварки следует использовать вольтов эквивалент эффективной мощности дуги Ш [10,83] или удельную эффективную мощность qy [84]. Эта величина измеряется в Вт/А и позволяет использовать для расчета эффективной мощности не эффективный КПД дуги г|и


10

и мощность дуги, а непосредственно ее ток. В пользу использования qy для расчетов свидетельствует, например, тот факт, что эффективный КПД сжатых дуг примерно равен или даже меньше, чем у свободной дуги, однако удельная эффективная мощность намного выше. Иначе говоря, использование qy не требует знания напряжения дуги, которое может иметь существенный разброс, особенно для сжатых дуг. В работе [11] приводится таблица весьма приближенных, по мнению авторов, значений qy для электродов и изделий (табл. 1.1).


Таблица 1.1

Удельная на 1 А тока эффективная мощность qy дуги (Вт/А)

                Постоянный ток                   
 Электроды     Прямая    Обратная  Переменный ток
             полярность полярность               
Вольфрамовый     2          8            5       
  электрод                                       
Свариваемое      8          7            8       
  изделие                                        

    Обращает на себя внимание, что для обратной полярности указано меньшее значение qy, чем для прямой. Обратная полярность при сварке вольфрамовым электродам используется только на малых токах. Поэтому не ясно, какие значения эта величина имеет на больших токах, которые характерны для сварки плавящимся электродом.
    Анализ данных по режимам односторонней автоматической сварки под слоем флюса соединений без разделки кромок на обратной полярности [1; 12] дал следующие результаты: используемые токи значительно превышают токи дуги при сварке вольфрамовым электродом. Так, для сварки толщины 4 мм проволокой 2 мм средний ток 387 А, а для толщины 6 мм - 460 А. Возможность такого значительного повышения тока, по-видимому, связана с особенностями приложения давления дуги при сварке плавящимся электродом по сравнению с вольфрамовым. Возможно, при таких токах значительно повышается и qy по сравнению со значением в таблице 1.1. Скорость образования соединения J на толщине 4 мм достигает J = 0,44 см²/с, что в 3 раза больше, чем при сварке вольфрамовым электродом. Хдельная энергия сварки составляет примерно Е = 22,4 кДж/см², что в 2,5 раза больше. Таким образом, сварка плавящимся электродом позволяет повысить эффективную мощность дуги и скорость соединения, но тепловая эффективность процесса существенно снижается. При этом рост скорости соединения несколько опережает рост мощности.


11

    Предельная толщина без разделки кромок, сваренная таким способом, с одной стороны, составляет 10 мм. При этом используется проволока диаметром 5 мм и ток 960 А. Скорость образования соединения достигает порядка 1,0 см²/с, а удельная энергия сварки 32,8 кДж/см².
    Примерно для таких же условий при сварке дугой переменного тока на толщине 10 мм достигается на токе 725 А скорость образования соединения 0,83 см²/с, а удельная энергия сварки 25,9 кДж/см². Однако в этом случае детали должны собираться с достаточно большим зазором и механизм образования проплавления существенно отличается от случая с плотно собранными кромками. Образование шва во многом обусловлено попаданием в зазор большого количества электродного металла. Об этом свидетельствует и тот факт, что подобным способом может быть сварена без разделки кромок толщина 20 мм на токе 975 А. При этом скорость соединения остается на уровне 0,83 см²/с, а удельная энергия сварки возрастает до 42,7 кДж/см² [12].
    Представляет интерес анализ режимов двухсторонней сварки под флюсом. Сварка велась на переменном токе проволокой 5 мм. При анализе использовали предположение, что режим сварки одного прохода обеспечивает провар 50 % толщины пластины. Сварка первого прохода производится на меньшей погонной энергии, чем второго (примерно на 30 %). Поэтому для оценки энергозатрат выбирали полусумму токов и скоростей сварки. В результате получили удельную энергию сварки одного прохода Е = 43,4 кДж/см² при скорости соединения J = 0,48 см²/с. Таким образом, энергозатраты при двухсторонней сварке существенно выше, чем при односторонней. Это объясняется более интенсивным отводом тепла из зоны сварочной ванны в условиях неполного проплавления, так как не используется эффект отражения тепла от обратной плоскости пластин.
    При сварке таким способом толщины 20 мм удельная энергия сварки достигается Е = 54,7 кДж/см² при скорости соединения J = 0,58 см²/с. Предельная свариваемая таким способом толщина 22 мм.
    Был также выполнен анализ режимов тандемной двухдуговой односторонней сварки под флюсом пластин толщиной 8 и 14 мм на переменном токе с использованием флюсомедной подкладки. Было установлено, что существенное увеличение скорости соединения (с 1,78 до 2,66 см²/с) на толщине 8 мм приводит к росту удельной энергии сварки на 11 %. При увеличении толщины до 14 мм использование энергии дуг повышается и достигается скорость соединения 4,66 см²/с при удельной энергии 28,4 кДж/см². Следует отметить, что такие высокие скорости соединения были получены в условиях сварки с зазором 3-5 мм, то есть сварка происходила по схеме, близкой к схеме линейного источника тепла. По сравнению с односторонней однодуговой сваркой в анало

12