ВВЕДЕНИЕ. Одним из наиболее перспективных направлений поисков новых высокоэффективных вариантов дуговой сварки порошковыми проволоками является направление

Одним из наиболее перспективных направлений поисков новых высокоэффективных вариантов дуговой сварки порошковыми проволоками является направление, предусматривающее регулируемое введение энергии в зону сварки, что должно способствовать управляемому переносу электродного металла в сварочную ванну, стабилизацию ее движений и минимальное разбрызгивание электродного металла. Наиболее эффективно сформулированную задачу решают адаптивные импульсные технологические процессы, которые обеспечивают программируемое изменение энергетических параметров процесса в зависимости от состояния объекта управления (источник питания – электрод – дуга – сварочная ванна – изделие) и корректируемое через каналы обратных связей [1 -12].

Реализация алгоритмов импульсного управления энергетическими характеристиками процесса позволяет, осуществляя программируемый ввод тепла в зону сварного соединения, управлять процессами плавления и переноса каждой капли электродного металла, формирования структуры шва и зоны термического влияния, уменьшать степень остаточных деформаций сварных соединений при обеспечении стабильности импульсного режима в различных пространственных положениях. В отличие от известных в мировой практике процессов дуговой сварки, в том числе и импульсных, использующих алгоритмы управления по жёстко заданной программе, адаптивные импульсные процессы реализуют корректировку выбранного алгоритма через каналы обратных связей по мгновенным значениям основных энергетических параметров сварочного процесса в зависимости от состояния объекта управления: источник питания – дуга – зона сварочного соединения.

Указанные преимущества определяют широкую область применения и возможности адаптивных импульсных процессов не только в области прогнозирования качества и надёжности неразъёмных соединений, но и обеспечения заданных эксплуатационных характеристик получаемых изделий.

Одним из основных преимуществ процесса сварки импульсной дугой являются лучшие, чем при сварке стационарной дугой, условия выполнения швов в разных пространственных положениях. При наплавке вертикальных и потолочных швов крайне важно предупредить вытекание металла из ванны. Способность металла вытекать из ванны под действием различных сил определяет текучесть ванны, которая является сложной характеристикой, зависящей от массы ванны, поверхностного натяжения металла, условий охлаждения вытекающего металла, его теплосодержания, кинематической вязкости и т. п.

Главную роль играет масса ванны, которая определяет не только силу, противодействующую силам сцепления и удерживающим жидкий металл, но и запас теплоты в ванне. Чем больше размер ванны, тем больший в данных условиях теплоотвода промежуток времени требуется для ее охлаждения. Скорость охлаждения определяет как текучесть ванны, так и ее массу в единицу времени, которые обеспечивают возможность сварки в разных пространственных положениях [2, 4, 9,10].

Для реализации адаптивных импульсных технологии сварки используют специализированное оборудование с блочно-модульным принципом построения, обеспечивающим возможность дозирования энергии, стабилизации мгновенных значений основных энергетических параметров процесса сварки и контроля качества (стабильности) технологического процесса [2, 3, 11, 12]. По сравнению со стационарными адаптивные импульсные технологии сварки обеспечивают:

- управление процессами плавления, переноса и кристаллизации металла сварочной ванны при значительно меньших средних значениях технологических параметров (сварочный ток, дуговое напряжение, мощность отдельного микроцикла);

- увеличение скорости кристаллизации сварочной ванны вследствие нестационарного энергетического воздействия источника нагрева на сварочную ванну, уменьшающего температуру расплавленного металла;

- уменьшение степени деформационных процессов сварных соединений; повышение качественных характеристик (повышение однородности химического состава по всему объему металла шва; повышение механических свойств сварного соединения).

Отмеченные достоинства достигаются направленной кристаллизацией сварочной ванны и усилением гидродинамических процессов в расплавленном металле, способствующим интенсивной дегазации сварочной ванны и равномерному распределению легирующих элементов по всему объему расплава, что особенно важно при сварке порошковыми проволоками.

Цель работы и задачи исследования

Целью данной работы является исследование сварочно-технологических характеристик порошковой проволоки 48ПП-8Н диаметром 1,2 мм в среде СО₂, включающее проведение сравнительной оценки стабильности горения порошковой проволоки 48ПП-8Н при различных режимах сварки и разработку рекомендаций по стабилизации процесса сварки порошковой проволокой, обеспечивающих снижение степени разбрызгивания, хорошее качество формирования шва и достаточную смачиваемость).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику оценки сварочно-технологических характеристик проволоки;

- провести экспериментальную оценку стабильности горения порошковой сварочной проволоки 48ПП-8Н;

- разработать способ стабилизации процесса сварки порошковой проволоки в среде СО₂ "короткой дугой";

- изготовить видеоматериалы, иллюстрирующие процессы протекающие в сварочной ванне при сварке порошковой проволокой в нестабилизированном и стабилизированном режимах.

Материалы и методика исследования

В соответствии с поставленной задачей исследования сварочно-технологических характеристик порошковой проволоки в среде СО₂, включающее проведение сравнительной оценки стабильности горения и разработку рекомендаций по повышению стабильности процесса сварки порошковой проволокой с переносом электродного металла во время коротких замыканий, была проведена серия экспериментов по изучению процессов массопереноса при плавлении порошковой проволоки 48ПП-8Н диаметром 1,2 мм при различных режимах сварки. Порошковая проволока 48ПП-8Н разработана и поставлена Заказчиком, состав и механические свойства наплавленного с её использованием металла приведены соответственно в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Химический состав металла, наплавленного с использованием порошковой проволоки 48ПП-8Н (данные ЦНИИ КМ «Прометей»)

Вариант	Массовая доля элементов, %
Кремний	Марганец	Углерод	Никель	Сера	Фосфор
	0,3-0,4	1,1-1,3	0,06-0,08	-	0,015	0,012
	0,3-0,5	1,6-1,8	0,10-0,12	-	0,009	0,022
	0,2-0,4	1,5-1,7	0,10-0,12	0,8-1,0	0,007	0,025
	0,2-0,4	1,1-1,3	0,09-0,10	1,6-1,8	0,015	0,020

Таблица 2.

Механические свойства металла, наплавленного с использованием порошковой проволоки 48ПП-8Н (данные ЦНИИ КМ «Прометей»)

Вариант	σ в, МПа	σ 0,2,, МПа	δ, %, не менее	Работа удара KV, Дж
Т исп -20 С^0	Т исп -40 С^0
	520-560	440-480		67-72	52-63
	710-730	650-690		15-19	-
	710-720	630-670		12-17	-
	540-590	420-500		78-92	72-79

Кинетику плавления и переноса электродного металла исследовали с использованием информационно-измерительного комплекса (ИИК), укомплектованного интерфейсной платой на основе аналого-цифрового преобразователя, позволяющей вводить в компьютер в цифровом виде аналоговые сигналы, поступающие с датчиков ИИК (значения тока сварки, напряжения). Была проведена компьютерная оптимизация временных параметров импульсно-дугового процесса сварки. Повышение частоты коротких замыканий до ~ 100 Гц позволяет в одном процессе совместить преимущества как «короткой», так и «длинной» дуги: высокую энергию плавления и управляемую проплавляющую способность дуги, гарантированную для различных толщин свариваемых деталей с минимальным уровнем разбрызгивания расплавленного металла. С помощью ИИК получены осциллограммы, кинограммы, диаграмма процессов сварки в среде защитных газов.

Более подробное описание ИКК приведено в тексте ниже (п. 1.4.).

Для оценки сварочно-технологических свойств порошковой проволоки использовали следующие характеристики сварочного процесса:

· стабильность зажигания дуги;

· стабильность горения дуги;

· стабильность переноса капель электродного металла;

· величина разбрызгивания.

Стабильность зажигания дуги, стабильность горения дуги и стабильность переноса капель электродного металла определяли с помощью ИКК и методом скоростной киносъёмки (5000 кадров/с).

Кинетику плавления порошковой проволоки 48ПП-8Н исследовали при следующих режимах сварки:

· без защиты в режиме импульсной стабилизации короткой дугой;

· без стабилизации массопереноса в среде СО₂ короткой дугой;

· со стабилизацией массопереноса в среде СО₂ короткой дугой;

· без стабилизации длинной дугой в аргоне;

· в режиме импульсной стабилизации короткой дугой в аргоне;

· без стабилизации в среде СО₂ длинной дугой;

· в режиме импульсной стабилизации длинной дугой в аргоне.

Для сравнения получены данные о кинетике плавления электродной проволоки без защиты в стационарном режиме.

В качестве источника сварочной дуги использовали выпрямитель типа ВС –300Б с жесткой внешней вольт – амперной характеристикой и механизм подачи сварочной проволоки ПДГ – 516. Для стабилизации процесса сварки в режиме «короткой дуги» применяли устройство УДГИ – 201, которое включается в сварочную цепь и работает по принципу импульсно регулируемого сопротивления [11].

Для стабилизации процесса сварки в режиме «длинной дуги» использовали устройство УДГИ – 301, так же включаемое в сварочную цепь для формирования импульсов, с возможностью изменения по длительности в пределах (0,9 – 1,2) х 10^–3 с и регулированию частоты следования импульсов в пределах 25 – 100 Гц [12].

Для сварки длинной дугой использовали аргон высшего сорта (не менее 99,99 % Ar, ГОСТ 10157 - 79), для сварки короткой дугой – углекислый газ первого сорта (не менее 99,5 % СО₂ , ГОСТ 8050 - 76).

1. Разработка методики оценки сварочно-технологических характеристик порошковой проволоки

Дата добавления: 2014-11-18