Повышение эффективности процессов сварки вольфрамовым электродом в инертных газах титановых балочных и панельных конструкций летательных аппаратов



жүктеу 256.46 Kb.
Дата11.09.2018
өлшемі256.46 Kb.
түріАвтореферат диссертации


`

На правах рукописи

УДК 621.791.754





Долотов Борис Иванович


ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ ТИТАНОВЫХ БАЛОЧНЫХ И ПАНЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва-2010

Работа выполнена в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» на кафедре «Технологии сварочного производства»


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.Ф.Савельев

доктор технических наук, профессор

В.В.Овчинников

доктор технических наук, профессор

В.М.Ямпольский

Ведущее предприятие: Комсомольский-на-Амуре филиал ОАО «ОКБ Сухой»

Защита диссертации состоится «___»__________ 201 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 217.042.03 при ОАО НПО «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ЦНИИТМАШ

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения), просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан ____ _________ 201 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.042.03

кандидат технических наук, Петушков С.М.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Стремительное развитие авиации в последние десятилетия привело к настоятельной необходимости в создании новых материалов, способных выдерживать колоссальные перегрузки и обладающих большим эксплуатационным ресурсом. В частности, всё большее применение находят титановые сплавы, которые способны удовлетворить постоянно возрастающие требования к летным характеристикам современных летательных аппаратов (рис.1). Использование титановых сплавов потребовало, в свою очередь, разработки достаточно сложных и дорогостоящих технологий сварки, что связано с высокой активностью титана при температурах выше 400 оС, с необходимостью использования вакуумных технологий производства и обработки титановых сплавов.

Улучшение силовых элементов самолета приводит к увеличению толщины металла под сварку; требования к качеству сварных соединений также возрастают. Проблему сварки толстостенных деталей традиционно принято решать применением вакуумных технологий сварки – полым электродом и электронно-лучевой (ЭЛС). В то же время использование вакуумных технологий при изготовлении крупногабаритных сварных конструкций связано с серьезными затруднениями и не снимает полностью проблему получения бездефектных швов. Кроме того в условиях рыночных методов управления экономикой необходимо считаться с высокой стоимостью специализированного оборудования для ЭЛС и издержками, связанными с его эксплуатацией.

В этой связи проблема повышения эффективности, совершенствования известных способов сварки в инертных газах, в частности сварки погруженным вольфрамовым электродом (далее - СПВЭ), представляется весьма актуальной. Решение этой проблемы выдвигает ряд задач различной сложности, не решенных до конца в ранее проведенных исследованиях и связанных с повышением эрозионной стойкости вольфрамовых электродов, с дальнейшем уменьшением пористости сварных швов, сваркой протяженных стыков, увеличением коэффициента использования материала, снижением затрат на дорогостоящие сварочные материалы (аргон, гелий, титан, вольфрам), сокращением производственного цикла изготовления сварных титановых конструкций в целом.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена самим процессом развития самолетостроения, что неизбежно приводит к необходимости совершенствования существующих технологий сварки до уровня предельных возможностей основных сварочных параметров, к разработке новых более эффективных способов применительно к уже известным технологическим процессам.




Цель работы. Разработка и внедрение в производственный цикл изготовления сварных конструкций из титановых сплавов различной толщины технологических процессов сварки вольфрамовым электродом в среде гелия и аргона, направленных на увеличение глубины проплавления и повышение качества сварки титана в инертных газах.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- сформулировать основные требования для обеспечения повышенной глубины проплавления при сварке погруженным вольфрамовым электродом и получения плотных швов на панельных конструкциях;

- разработать новую конструкцию вольфрамового электрода, обладающего повышенной эрозионной стойкостью;

- теоретически и экспериментально обосновать способность сварочной полоцилиндрической дуги к контрагированию под действием магнитных полей, наводимых сварочным током;

- провести исследования для объяснения процесса частичной дегазации (саморафинирования) сварочной ванны в процессе сварки погруженным вольфрамовым электродом, ее способности частично очищаться от газовых примесей, содержащихся в исходном металле;

- разработать технологические приемы, позволяющие сократить расход сварочных материалов (гелий, аргон, вольфрам, сплав ВТ20), снизить объем механической обработки при подготовке стыка под сварку;

- максимально снизить количество пор в сварных швах.



Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись как традиционные методы исследований, так и специально разработанные. Из числа известных использованы: методика многофакторного планирования экспериментов; спектроскопия на квантометре МФС-8, лазерном спектромикроанализаторе ЛМА-10; рентгеноспектроскопии на анализаторе "Спектроскан", газовом анализе методом вакуумплавления пробы с последующей газоадсорбционной хроматографией в потоке инертного газа; микроскопии на микроскопе Neofot-21; измерения микротвердости на приборе ПМТ-3М; рентгеноскопии на установке ДРОН-:6М; исследования химического состава с использованием газоанализаторов ONH-2000 и ARK-met. Разработаны: методика ускоренного анализа технологических процессов, методика исследования перемешивания металла сварочной ванны, математическое моделирование эффекта самофокусирования (контрагирования) сварочной полоцилиндрической дуги тороидального электрода.

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью методов расчета, близкими значениями теоретических и экспериментальных данных, а также их успешной реализацией в промышленном производстве самолетов семейства СУ-27. Корректность математической модели сварочной полоцилиндрической дуги была обоснована результатами первоначальных исследований дуги стандартного электрода (с конусообразной заточкой); наличием изобретений на все научно-технические разработки.

Основные научные и практические результаты, выносимые на защиту:

- на основании расчетных и экспериментальных данных установлен физический эффект самопроизвольного сжатия (контрагирования) полоцилиндрической дуги, под действием собственных магнитных полей;

- экспериментально установлен и научно обоснован эффект саморафинирования жидкометаллической ванны при сварке погруженным вольфрамовым электродом толстостенных титановых соединений по необработанным кромкам, содержащим оксидный слой за счет частичного удаления газовых примесей;

- разработаны и экспериментально опробованы новые способы сварки и конструкции вольфрамовых электродов, позволяющие заметно увеличить их проплавляющую эффективность и ресурс за счет повышения эрозионной стойкости;

- разработана технология аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом, включающая время существования сварочной ванны в качестве дополнительного параметра режима сварки, который можно изменять в широких пределах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлено, что при увеличении сварочного тока до 1800…2000А происходит погружение вольфрамового электрода ниже кромок свариваемой детали до 25…27 мм, сопровождающееся увеличением глубины проплавления;

- установлено, что при сварке погруженным вольфрамовым электродом на токах до 2000 А контрагирование (сжатие) столба дуги существенно выше, чем при сварке открытой дугой, особенно при использовании вольфрамового электрода с формообразованием рабочего торца в виде полутора (тороидальный электрод), что способствует расширению технологических возможностей способа сварки;

- показано, что значительный эрозионный износ вольфрамовых электродов, характерный для сварки на форсированных режимах, может быть уменьшен за счет искусственного оплавления рабочего торца путем изменения полярности тока с прямой на обратную, за счет использования тороидального электрода или электрода с преимущественным расположением легирующих элементов в осевой области;

- показано, что высокая интенсивность нагрева при сварке погруженным вольфрамовым электродом позволяет осуществить перегрев сварочной ванны до температуры кипения, при этом пары титана, взаимодействуя с примесями, способствуют частичному удалению водорода, азота и кислорода из сварочной ванны.

Практическая полезность работы заключается в следующем:

- разработана и внедрена в производство усовершенствованная технология сварки, позволяющая получать за один проход без разделки кромок соединения толщиной до 50 мм и более, что в два раза превышает достигнутые ранее результаты;

- разработана конструкция вольфрамовых электродов с формообразованием рабочего торца в виде полутора, обладающих повышенной эрозионной стойкостью, трудоемкость изготовления которых не превышает затрат на конусную заточку стандартных электродов;

- разработанная технология сварки по необработанным кромкам, содержащим окисленный слой, позволяет значительно повысить коэффициент использования металла при производстве сварной титановой оснастки для вакуумной термофиксации конструкций;

- разработанные и апробированные конструкции вольфрамовых электродов позволяют внести дополнения в действующий ГОСТ 23949-80 "Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся" в части производства трубных заготовок наряду с прутками;

- полученные решения по существенному увеличению ресурса вольфрамовых электродов при сварке протяженных стыков делают возможным разработку сварочного оборудования нового типа;

- разработанный способ аргонодуговой сварки листовых титановых конструкций электродом с двумя вершинами позволяет регулировать время существования сварочной ванны в широком диапазоне;

- трудоемкость и расход твердосплавного инструмента при изготовлении сборных выводных планок уменьшается за счет исключения операции механической обработки резанием при подготовке кромок под сварку;

- расход редкоземельных элементов (лантана, иттрия, тория) и вольфрама существенно снижается при изготовлении электродов из трубных заготовок и в связи с повышением их эрозионной стойкости.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всесоюзных и международных научно-технических семинарах и конференциях: Всесосоюзной конференции посвященной подготовки инженеров-сварщиков (Владивосток, 1980г.); научно-технической конференции «Развитие и размещение производительных сил и транспортное обеспечение Дальневосточного региона на период до 2000г.» (Хабаровск, 1984г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98» (Москва, 1998 г.); третьей Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов (Тольятти, 1986г.); международной научно-технической конференции «Металлургия сварки и сварочные материалы» (Санкт-Петербург, 1993г.), четвертой международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материал» (Воронеж , 1996г.); ежегодных научно-технических конференциях аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 1984-2009гг.); международной научной конференции «Материаловедение тугоплавких соединений. Достижения и проблемы» (Киев, 2008 г.); международной научной конференции «Новые технологии и материалы инновации в промышленности Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре, 2007г.); научной конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007 г.); международной научной конференции, посвященной 75-летию ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ «Вопросы авиационного материаловедения» (Москва, 2007).

Изобретения по теме диссертации выставлялись на международных выставках и салонах. Патент № 2162779 РФ «Вольфрамовый электрод» награжден на Международном салоне «Брюссель – Эврика» в 2000 и 2001 гг. золотой медалью с отличием и на II Московском салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2002 г.) году золотой медалью. Патент № 2133178 РФ «Способ аргонодуговой сварки титановых сплавов» на Международном инновационном салоне (Сеул, 2002 г.) и на Международном инновационном форуме (Женева, 2000 г.) отмечен золотыми медалями.



Личный вклад автора. В работу включены данные экспериментальных и теоретических исследований, проведенных автором самостоятельно или при его непосредственном участии.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 52 работах, в том числе 6-ти монографиях [2-7], 18-ти изобретениях [34-51], эффект самопроизвольного сжатия (контрагирования) дугового разряда в виде полого цилиндра признан научной идеей [52].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 303 страницах основного текста, содержит 144 рисунка, 29 таблиц и 3 приложения.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы применительно к производству сварных конструкций летательных аппаратов и приведена общая характеристика работы.

В первой главе приведен анализ состояния вопроса и сформулированы общие задачи исследования.

Одной из наиболее экономичных разновидностей процесса электродуговой сварки в среде защитных газов является автоматическая сварка погруженным вольфрамовым электродом – СПВЭ (рис. 2). Этот способ позволяет добиться значительной глубины проплавления за один проход без разделки кромок при обеспечении высокого качества сварных швов на алюминиевых, титановых, магниевых сплавов и некоторых сталях. Теоретические и практические исследования процессов сварки титановых сплавов погруженным электродом рассмотрены в трудах С.И. Верещагина, А.П. Горячева, В.П. Демянцевича, В.М. Дубашинского, В.А. Зеленина, Б.В. Кудоярова, В.И. Матюхина, Г.Д. Никифорова, В.В. Редчица, А.Г. Симоника и др.





Рисунок 2. Схема сварки погруженным электродом: 1- вольфрамовый электрод, 2 – свариваемая деталь, 3 – водоохлаждаемая подкладка, 4 - защитная микрокамера; hз - заглубление электрода

П
огружение электрода в сварочную ванну происходит следующим образом: при увеличении силы тока под действием давления дуги жидкий металл вытесняется из-под электрода и дуга погружается в сварочную ванну, увлекая за собой неплавящийся электрод. Углубление дугового разряда в свариваемый металл способствует уменьшению излучения в окружающее пространство, локализации выделяемой дугой теплоты и повышению эффективного кпд процесса нагрева металла.

Рисунок 3. Циклограмма процесса СПВЭ

Циклограмма заварки единичного стыка приведена на рис. 3, в нижней части которого условно показана свариваемая деталь с выводными планками. Непосредственно перед сваркой вольфрамовый электрод касается поверхности выводной планки в точке О. Ожидаемую глубину проплавления можно определять по известной формуле В.И. Дятлова:

, (1)

где: q - эффективная тепловая мощность дуги; ψпр - коэффициент формы проплавления; Vсв - скорость сварки; k - коэффициент, равный 0,015; 0,020; 0,030 соответственно для стали, титана и алюминия.


Во второй главе представлена методика ускоренного анализа с целью выявления и ранжирования задач повышения эффективности технологических процессов. Основой методики является представление о технологическом процессе как о системе, состоящей из нескольких основных блоков – подсистем. Каждая подсистема анализируется по четырем направлениям: снижение материалаемкости, трудоемкости, энергоемкости и повышение качества. Технологический процесс изготовления силовых шпангоутов из сплава ВТ20 (рис. 4) предусматривает СПВЭ штампованных заготовок с применением вставки из титана ВТ1-0 (присадочный материал) и двух выводных планок из ВТ20 на каждый стык. Результаты анализа технологического процесса изготовления сварных шпангоутов из титанового сплава ВТ20 представлены на рис. 5.

а) б)


Рисунок 4. Шпангоут в процессе изготовления (а); подсборка из 2-х штамповок (б)



Рисунок 5. Основные направления поиска задач


Все возможные задачи можно классифицировать по двум направлениям: 1 – снижение затрат; 2 – увеличение глубины проплавления за один проход при СПВЭ.

Проведенный анализ показал, что ключевым элементом процесса сварки погруженным электродом является вольфрамовый электрод, от работы которого зависит и глубина проплавления и отсутствие дефектов.

По снижению материалоемкости наиболее затратными являются операции, связанные с функционированием выводных планок, а также расходом гелия, аргона, вольфрама и устранением дефектов.

Третья глава посвящена разработке способов СПВЭ для реализации технологического процесса производства сварных титановых (сплав ВТ20) шпангоутов с толщиной металла под сварку до 80 мм.

Исследование взаимосвязи параметров процесса СПВЭ позволило вывести регрессионное уравнение, которое с достаточной точностью позволяет рассчитать глубину проплавления при сварке на установке ГСПД-1М с использованием вольфрамового электрода Ø 10 мм с заточкой на конус:



Н = - 0,12 + 1,51h3 + 0,95Uд - 3,31Vсв, (2)

где Hглубина проплавления, мм; - толщина свариваемого металла, мм; h3 – заглубление электрода, мм; Uд – дуговое напряжение, В; Vсв – скорость сварки, мм/с.


Здесь же представлен ряд разработок, направленных непосредственно на улучшение процесса сварки, более полное использование сварочного оборудования и дальнейшую экономию сварочных материалов. Так, для повышения стабилизации процесса сварки, разработано и внедрено электронное устройство регулирования сварочной дуги (взамен электромеханического), что позволило изменять быстродействие системы в любом желаемом диапазоне с учетом плотности свариваемого металла и уровня заглубления электрода. Устройство для автоматической подачи защитных газов позволило управлять расходом защитных газов на разных стадиях сварочного процесса, сократить расход гелия более чем в два раза и полностью автоматизировать процесс сварки.

В результате осуществления комплексных научно-технических мероприятий удалось существенно увеличить глубину проплавления. На рис. 6 представлены макроструктуры сварных швов, полученных на образцах толщиной 54 мм (односторонняя сварка) и толщиной 90 мм (двусторонняя сварка).

а) б)

Рисунок 6. Макроструктура сварных швов на образцах

толщиной 54 мм (а) и 90 мм (б)
Четвертая глава посвящена поиску путей повышения эрозионной стойкости вольфрамовых электродов. Разработано три варианта решения этой проблемы: металловедческий, конструктивный и технологический.

При разработке простой и надежной конструкции электрода с повышенной эрозионной стойкостью и проплавляющей способностью исходили, во-первых, из того факта, что электрическая сварочная дуга является, по существу, множеством проводников, по которым течет ток. Во-вторых, учитывалась возможность обязательного увеличения рабочей (скругленной) поверхности электрода в случае необходимости повышения сварочного тока. Если исходить из принципа равенства площадей скругленной рабочей поверхности электрода и поверхности, занимаемой катодным пятном, то можно сохранять высокую стойкость электрода при увеличении силы сварочного тока путем увеличения площади рабочей поверхности. Наиболее благоприятным с этой точки зрения является формообразование рабочего торца электрода в виде полутора (тороидальный электрод). Дуга, возбуждаемая с тороидального электрода, имеет форму полого цилиндра - полоцилиндрическая дуга. Поперечное сечение такой дуги будет иметь форму кольца (рис. 7, а). Эту дугу можно представить в виде множества параллельных токов, суммарное электромагнитное взаимодействие которых должно приводить к ее контрагированию – возникает эффект самофокусирования (рис. 7, б).




Рисунок 7. Тороидальный электрод с полоцилиндрической дугой (а); схема, поясняющая возникновение эффекта сжатия кольцевой сварочной дуги (б): 1 – проводники; 2 – магнитные поля проводников; 3 – внешнее суммарное магнитное поле; 4 – внутреннее суммарное магнитное поле
Механизм самофокусирования объясняется следующим. Во-первых, плазменные стенки полоцилиндрической дуги должны сжиматься в результате суммарного взаимодействия внешнего и внутреннего магнитных полей, направленных в противоположные стороны (рис. 7, б). Во-вторых, суммарное взаимодействие параллельных токов должно привести к сжатию (самофокусированию) всей полоцилиндрической дуги (рис. 7, б).

Тороидальный электрод, выгодно отличается от других конструкций простотой исполнения и высокой динамичностью основных характеристик: при неизменном диаметре электрода, площадь его рабочей поверхности можно изменять в широких пределах путем изменения диаметра центральной лунки (рис. 8).

Для численного моделирования самопроизвольного сжатия дугового разряда в виде полого цилиндра была разработана методика на основе электромагнитного (электродинамического) подхода. Корректность ее использования была подтверждена первоначально исследованиями дуги стандартного электрода с заточкой на конус и полусферическим скруглением диаметром 0,4Dэ.

Предположим, что распределение плотности сварочного тока имеет вид:



, (3)

где j0 – плотность тока на оси дуги; r – расстояние от оси дуги до данной точки; R – радиус дуги в данном сечении (R – наиболее вероятное значение r).

Константу j0, имеющую размерность плотности тока, вычислим из известного уравнения электродинамики (определение силы тока):

(4)

где Iсв – сила сварочного тока, А.

Вычислив интеграл (4), получим . С учетом этого уравнение (3) можно записать в виде

(3')

Индукция магнитного поля, создаваемого током вычисляется по закону полного тока (закону Эрстеда):



(5)

В левой части (5) записана циркуляция индукции магнитного поля В. В качестве контура интегрирования удобно выбрать окружность (радиусом r) с центром на оси сварочной дуги. В результате вычисления интегралов, входящих в (5), получаем



(6)

Силу F, сжимающую плазму полоцилиндрической дуги, определим с помощью соотношения:



(7)

Здесь W – энергия магнитного поля, которую можно определить в элементе объема dV=2zrdr по известной методике:



.

Радиальная составляющая силы (проекция силы на направление r), сжимающей дуги, определяется по формуле:



(7')

где - магнитная постоянная, Гн/м; z – фокусное расстояние, мм; r – расстояние от оси дуги до данной точки, мм; R – радиус дуги, мм.



Рисунок 8. Изменение площади рабочей поверхности (Sп) и

расчетной силы сварочного тока (Iсв) в зависимости от радиуса тора
Результаты моделирования (частично представлены на рис. 8 и 9 и в табл. 1) позволили установить, что радиус полоцилиндрической дуги возрастает с увеличением продольной координаты; стягивающая дугу сила немонотонно зависит как от поперечной, так и от продольной координат; с ростом сварочного тока максимальная длина дуги и ее фокусное расстояние уменьшаются, а их отношение остается постоянным.

Рисунок 9. Зависимость максимального значения силы сжатия от поперечной координаты при силе тока Iсв: 1 – 1000 А; 2 – 1400 А; 3 – 1650 А;



4 – 1750 А; 5 – 1900 А


Рисунок 10. Зависимость силы сжатия от продольной координаты (1 – 10 мм; 2 – 20 мм; 3 – 35 мм; 4 – 44 мм) при различных значениях продольной координаты при сварочном токе 1750 А


Таблица 1.

Расчетные характеристики дуги в зависимости от сварочного тока



Сварочный ток Iсв, А

1000

1400

1650

1750

1900

Экспериментальная длина дуги lд, мм




27

19

20

18

Характерная длина дуги L, мм

10,50

8,84

8,15

7,90

7,60

Максимальная длина дуги zmax, мм

44,6

37,7

34,7

33,7

32,3

Фокусное расстояние zv, мм

35

29

27

26

25

Отношение zv/ zmax

0,79

0,77

0,78

0,77

0,77

Вероятный радиус дуги Rv, мм

15,0

14,6

14,8

14,7

14,7

Максимальная сила Fm, H

0,21

0,34

0,44

0,47

0,54

Расчетные данные были проверены на многочисленных экспериментах. Полученные экспериментальным путем результаты свидетельствуют о двух неоспоримых преимуществах тороидального электрода – способности к самофокусированию дуги и очень высокой эрозионной стойкости. Установлено, что корреляция между данными, полученными теоретически и экспериментально, достаточно высокая. В табл. 2 отражены данные по стойкости вольфрамовых электродов.

Характер и скорость эрозии тороидальных электродов существенно отличается от электродов со стандартным формообразованием рабочего горца (рис. 11). Если в начальный период сварки эрозия стандартного и тороидального электродов имеет сходство, то в дальнейшем картина кардинально меняется: стандартный электрод разрушается, тороидальный – прибавляет в весе.

Таблица 2.



Стойкость вольфрамовых электродов

№ опыта п/п

Вес электрода, г

Изменение веса, г

Сварочный ток, А

Исходный

После сварки

1

2

3

4

5

стандартные

1

296, 79

296,04

0,75

1800

2

313,48

312,87

0,61

1850

3

224,41

223,46

0,95

1750

4

346,52

345,1

1,42

1750

5

324,3

323,54

0,76

1800

6

289,27

283,524

5,75

1750

7

321,43

316,46

4,97

1750

тороидальные

8

206,72

206,68

0,04

1750

9

209,11

208,90

0,21

1550

10

206,64

206,64

0

1750

11

209,46

209,48

-0,02

1850

12

199,22

199,22

-0,02

1850

13

199,58

199,61

-0,03

1900

14

199,99

199,97

0,02

1900

Эффект контрагирования полоцилиндрической дуги, возбуждаемой с тороидального электрода, под действием собственного магнитного поля был наглядно зафиксирован с помощью скоростной киносъемки. Сравнительные исследования проводили с использованием стандартного электрода диаметром 10 мм и тороидального электрода того же диаметра. Дугу возбуждали в среде гелия между медной водоохлаждаемой болванкой (анод) и неподвижным электродом (катод), после чего увеличивали ток дуги со скоростью 30 а/с. Расстояние между анодом и катодом составляло 10 мм. На рис. 12 представлены кадры начала и окончания киносъемки. Полученные данные свидетельствуют о том, что форма полоцилиндрической дуги заметно отличается от формы обычной дуги. Если последняя имеет характерную колоколообразную форму, то дуга тороидального электрода имеет выраженную тенденцию к уменьшению диаметра по мере приближения к анодному пятну.

а)

Iсв = 1800А



б)

Iсв = 1900А

Рисунок 11. Динамика разрушения электродов:

а – стандартного, б – тороидального

Форма проплавления тоже изменяется (рис. 13). Сварный шов, образованный тороидальным электродом, имеет выраженный клиновидный характер, что косвенно свидетельствует о наличии самофокусирующего эффекта полоцилиндрической дуги.


а) б)


Рисунок 13. Формы сварного шва при СПВЭ со стандартной (а),

тороидальной заточкой (б) рабочего торца.


В вольфрамовых электродах с конусной заточкой и полусферическим притуплением, рабочей частью является осевая область, ограниченная диаметром притупления dпр, причем обычно dпр = 0,4dэ, где dэ - диаметр электрода. Остальная часть вольфрамового прутка уходит в стружку при заточку рабочего торца. Вместе со стружкой теряется 84 % легирующих элементов. Поэтому целесообразно применить переменное легирование вольфрамовых прутков с преимущественным сосредоточением легирующих элементов в осевой области (рис. 14, а).


Рисунок 14. Повышение эрозионной стойкости электрода: а – направленным легированием: 1 – рабочая зона; 2 – периферийная область; б – автополировкой электрода: - ток сварки на прямой полярности; - ток сварки на обратной полярности; tпер – время переключения с тока прямой полярности на обратную; tц – время полного цикла

Как известно, наибольшую эрозионную стойкость электрода при прочих равных условиях обеспечивает тщательная подготовка его поверхности (шлифование, полирование и др.). По мере работы электрод изнашивается и его приходится извлекать из горелки для перезаточки, что создает большие неудобства при сварке протяженных стыков. Для обновления полированной рабочей поверхности электрода в процессе сварки можно использовать кратковременное переключение сварочного тока с прямой полярности на обратную для принудительного оплавления рабочей поверхности электрода (рис. 14, б).



В пятой главе приведены результаты СПВЭ по необработанным (окисленным) кромкам. Была разработана специальная методика для определения интенсивности перемешивания металла в сварочной ванне, чтобы дать качественную оценку процессам, приводящим к уменьшению примесей в сварном шве по сравнению с основным металлом.

Для того чтобы определить длину сварочной ванны и интенсивность перемешивания в ней жидкого металла, были проведены эксперименты с использованием маркирующего материала – армко-железа, переплавляемого вместе с основным металлом – ВТ20, чьи температуры плавления очень близки. Пластину из армко-железа устанавливали поперек стыка, а сварку прекращали в момент, когда вольфрамовый электрод находился непосредственно в зоне размещения пластины, что позволило выявить степень равномерности перемешивания жидкого металла на продольных и поперечных темплетах, вырезанных из сварных образцов, и более точно определить длину сварочной ванны.

Содержание железа в металле определялось спектральным анализом (табл. 3), после чего производилось травление для выявления макроструктуры и зон, в которых были произведены замеры.

Таблица 3

Содержание железа в сварных швах, %


Расстояние от оси электрода, мм

Область измерений

Основной металл

Сварной шов

Зона сплавления

0

0,121-0,170

0,128

(13 точек)


0,63-1,32

0,96

(23 точки)


0,43

0,67



25

0,118-0,145

0,130

(21 точка)


0,53-1,44

0,926

(19 точек)

Не измеряли




30

0,101-0,137

0,114

(24 точки)


0,96-1,161

1,078

(16 точек)

То же



45

0,110-0,134

0,111

(16 точек)


0,787-1,220

1,058

(20 точек)


0,252

0,303



50

0,107-0,132

0,118

(19 точек)


0,68-1,12

0,873

(16 точек)


0,518

0,497



70

0,111-0,139

0,124

(17 точек)


0,442-0,811

0,379

(19 точек)


0,304

0,212


0,258

5 мм перед электродом

0,111-0,140

0,121

(19 точек)


0,536-1,106

0,729

(20 точек)

Не измеряли




15 мм перед электродом

0,115-0,182

0,132

(20 точек)


0,379-0,999

0,577

(17 точек)


0,192

0,570


П р и м е ч а н и е. В числителе приведены минимальное и максимальное значения, в знаменателе – среднее

Разработанный метод определения интенсивности перемешивания металла в сварочной ванне при СПВЭ позволяет сделать вывод о равномерности распределения легирующих элементов и примесей в объеме сварного шва.

Распределение железа по длине сварочной ванны представлено на рис. 15.



Рисунок 15. Массовая доля (%) Fe по длине сварочной ванны:



1– в объеме сварного шва; 2 – по зоне сплавления; 3 – в основном металле
В связи с высокой стоимостью титановых сплавов целесообразно использовать отходы, которые остаются после термического раскроя плит, подвергая их СПВЭ. Сдерживающим фактором является наличие оксидного слоя, который сплошь покрывает обрезки плит и достигает заметной толщины на кромках реза – до 0,5 мм.



Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет