Введение 4
1. Анализ процесса кристаллизации металла при формировании сварочного кратера 6
1.1 Анализ способов ремонтной сварки для восстановления изделий из
легких сплавов 6
1.2 Виды дефектов сварного шва и причины их образования при формировании сварочного кратера 12
1.3 Характеристика существующих способов устранения сварочного кратера 15
1.4 Формулировка задач 19
2 . Исследование процесса формирования сварочного кратера в момент окончания сварки изделий из алюминиевых сплавов трехфазной дугой 20
2.1 Исследование причин и механизма возникновения усадочного кратера
в месте окончания заварки 20
2.2 Разработка математической модели теплового воздействия трехфазной
дуги на поверхность металла при формировании сварочного кратера 23
2.3 Расчетная модель конфигурации сварочного кратера 26
3. Экспериментальное определение влияния тепловых и силовых характеристик трехфазной сварочной дуги на формирование усадочного кратера. 28
3.1 Разработка методики проведения экспериментов по исследованию
формирования усадочного кратера 28
3.1.1 Проведение фотометрических экспериментов по определению размеров кратера 29
3.2 Исследование механизма формирования усадочного кратера при линейном спаде тока дуги 33
3.3 Исследование механизма формирования усадочного кратера при различных характеристиках кривой спада тока дуги 36
4. Разработка оборудования и технологии для формирования усадочного
кратера с минимально допустимыми параметрами при устранении дефектов на поверхности изделий из алюминиевых сплавов 45
4.1 Разработка сварочного оборудования и устройств для программируемого изменения параметров режима сварки 45
4.2 Отработка технологических параметров режима горения трехфазной
дуги в момент окончания сварки для различных толщин материала 55
4.2.1 Технологическое использование эффекта дифференцирования теплового потока трехфазной дуги при заварке кратера 56
4.3 Технология формирования усадочного кратера с минимально допустимыми параметрами 58
5. Разработка бизнес-плана для привлечения инвестора в проект «Установка для сварки изделий из легких сплавов с программируемым изменением мощности трехфазной дуги» 61
Заключение 75
Список используемой литературы 76
Потребление изделий из сплавов алюминия имеет устойчивую тенденцию к росту, за последние тридцать лет оно выросло в несколько раз. Соответственно увеличивается и роль сварки в изготовлении таких изделий и в восстанови-тельном ремонте [1].
Вместе с тем, процесс сварки и восстановления геометрических параметров изделий из алюминиевых сплавов электродуговой наплавкой осложнен целым рядом факторов, связанных как со свойствами сплавов алюминия, так и особенностями горения сварочной дуги при сварке и наплавке [2,3].
Основным затруднением при восстановлении поверхностей и сварке изделий из алюминия, является момент выключения сварочной дуги и формирование усадочного кратера на поверхности наплавленного слоя. Величина (глубина) и форма усадочной раковины зависит от объёма расплавленного металла, скорости его охлаждения и направленности роста кристаллитов. Вследствие высокой теплопроводности сплавов алюминия и необходимости применения для наплавки мощных и высококонцентрированных источников энергии (аргонодуговой сварки неплавящимся электродом) величина усадочного кратера может достигать 80 % от толщины слоя (в случае расплавления металла без применения присадки). Даже применение присадочного материала не исключает появления усадочной раковины на поверхности наплавленного слоя, хотя и значительно меньшей по размерам. Наличие усадочного кратера, кроме того, что занижаются размеры наплавленного слоя в локальном месте, чревато появлением в наплавленном слое дефектов в виде микротрещин (даже если кратер будет впоследствии заварен) или концентраторов напряжений в виде оксидных включений.
Решение проблемы устранения сварочного кратера в производстве сварных конструкций связано с применением выводных планок. Однако такой способ невозможно применять при сварке или наплавке кольцевых и круговых швов, и при заварке локального дефекта на поверхности изделия.
В ряде случаев применяется так называемый «механизм заварки кратера» основанный на уменьшении сварочного тока по линейному закону в момент окончания сварки. Такой механизм, как правило, реализуется при автоматической сварке, поскольку устройства заварки кратера встроены в специализированные источники питания для автоматической сварки. Кроме того, установлено [4], что при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом линейный спад тока не в полной мере обеспечивает линейный спад температуры сварочной ванны, а значит скорости ее кристаллизации. Другими словами, линейный спад тока сварки в момент ее окончания не позволяет регулировать скорость кристаллизации металла в сварочном кратере, и изменять (управлять) ростом кристаллитов, формирующих усадочную раковину, а значит, не может устранить образование усадочной раковины и предотвратить появление дефектов в ней
Для того чтобы предотвратить появление усадочной раковины, необходимо управлять кристаллизацией металла сварочной ванны путем регулирования тепловложения в зону сварки (в месте окончания сварки), или скоростью отвода тепла из этой зоны. Наиболее удобным инструментом для этого является сама сварочная дуга, при изменении сварочного тока изменяется и тепловая мощность сварочной дуги, а значит и тепловая ситуация в зоне сварки. Для того чтобы обеспечить изменения тепловой ситуации в сварочной ванне, благоприятно влияющей на формирование усадочного кратера с минимальными размерами, необходимо изменять тепловую мощность сварочной дуги в момент окончания сварки по какому-то определенному закону, который необходимо выявить.
Поэтому целью работы является повышение качества сварных соединений за счет минимизации усадочного кратера путем регулирования тепловых процессов в зоне окончания сварки
1. Существующие способы заварки сварочного кратера не в полной мере обеспечивают получение качественного сварного соединения, вследствие образования усадочной раковины больших размеров и наличия в ней трещин.
2. Установлено, что для получения сварочного кратера с минимальными размерами и отсутствия в нем трещин, необходимо изменить направление теплоотвода и соответственно фронта кристаллизации с радиального на осевое.
3. Установлено и экспериментально подтверждено, что осевое направление роста кристаллитов в сварочном кратере можно обеспечить, изменяя мощность трехфазной дуги в момент окончания сварки по зависимости y=k/(x+b)+c.
4. Разработана технология заварки кратера, включающая реализацию предложенной зависимости изменения мощности, в момент окончания сварки, и подключение присадочной проволоки к средней фазе трехфазного источника питания.
1. Вернадский, В.Н. Сварочное производство и рынок сварочной тех-ники в современной экономике [Текст]. /В.Н. Вернадский, О.К. Маковецкая//Автоматическая сварка. - 2007 - №1. - С. 19 - 22.
2. Рязанцев, В.И. Аргонодуговая заварка дефектов литья из магниевых сплавов [Текст]. /В.И. Рязанцев, Ю.Л. Скорняков, В.В. Тихонов//Сварочное производство - 1974 - №4 - С.35-41.
3. Ельцов, В.В. Проблемы восстановления эксплуатационных свойств деталей машин из легких сплавов [Текст]. /В.В. Ельцов.//Инженер-технолог- рабочий. - 2002 - №2. - С. 14 - 15.
4. Ardentov, V.V. Investigation of formation regularities of weld pool crater during arc welding of titanium alloys with nonconsumable electrode./V.V. Ar¬dentov, I.V. Suzdalev, B.M. Berezovsky//Titanium: Science and Technology. Proc. 5th Int. Conf. [Oberusel, Sept. 10-14, 1984]. - 1984 - vol.2 - p. 839-843.
5. Musthy, M. TIG Welding STB 5101 magnesium alloy.// Metall constr.- 1985- №6- p.213-231.
6. Riparazione mediante saldatura di seti di magnesio per applikationi airo- nantichi «Alluminio» -1979 -№4, - p. 175-177.
7. Никифоров, Г.Д. Условия возникновения пор при сварке алюминия и его сплавов [Текст]. /ГД.Никифоров, А.Г. Махортова// Сварочное производство -1961- №3 - С. 8...11.
8. Никифоров, Г.Д. О мерах борьбы с пористостью при сварке [Текст]. /Г.Л. Никифоров, С.А. Силантьев, Г.Е. Каипов// Сварочное производство - 1963 - № 1 - С. 13-16.
9. Макаров, В.И., Сварка магниевых сплавов [Текст]. /В.И. Макаров,
Ю.Н. Скачков; М. : Машиностроение - 1972 - 120 С.
10. Магниевые сплавы. Справочник,Т.2 // Под .ред. М,В,Альтмана -М. : Металлургия - 1978 - 295 С.
11. Щербак, В.В., Исправление микродефектов литья алюминиевых сплавов [Текст]. /В.В. Щербак, Б.И. Шнайдер//Автоматическая сварка -1974 - №5 - С.34-36.
12. А.С.№ №804835. Способ заварки дефектов. [Текст] / Г.И. Чепурнов. Опубл. - БИ- №6 - 1981.
13. Заявка 60-152371 (Япония), Способ дуговой заварки отверстий [Текст]. /Мацуи Хитоси. Реф.:Отд.вып.63 - 1986 - №9 - (9.63.272).
14. Заявка 60-33881 (Япония). Ремонт отливок из магниевых сплавов с помощью сварки [Текст] . /ТанакаК., Фуруканэ К., Реф. : Отд.вып.63 - 1986 - №4- (4.63.741).
15. Заявка 57-58992 (Япония). Способ ремонтной сварки. /Кавагути Сэйити, Наяма Сатосуко. Реф.: Отд. вып. 63, 1984, №5 (5.63.448).
16. Столбов, В.И., Ремонт отливок из магниевых сплавов с помощью трехфазной дуги [Текст]. /В.И. Столбов, В.В. Ельцов// Сварочное производство - 1984 - №2 - С.40-41.
17. Столбов, В.И.. Особенности технологии ремонта отливок из магниевых сплавов [Текст]. /В.И. Столбов, В.В. Ельцов, Ю.Ф. Зотов// Сборник докладов 2-ой Всесоюзной конференции «Актуальные проблемы сварки цветных металлов». - Киев.:1985 - С.152...154.
18. Столбов, В.И., Влияние технологических подкладок на формирование корня шва при ремонтной сварке отливок из сплава МЛ10 [Текст]. /В.И. Столбов, В.В. Ельцов//Сварочное производство - 1982 - №4 - С.34-36
19. Ельцов, В.В., Особенности ремонтной сварки изделий из магниевых сплавов трехфазной дугой в повторно-кратковременном режиме [Текст]. /В.В. Ельцов, И.А. Олейник, В.Ф. Матягин// Сварочное производство - 1989 - №6 - С.10-12.
20. Оботуров, В.И., Некоторые особенности образования и разрушения окисных пленок при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов [Текст]. /В.И. Оботуров, Ю.Н. Толкачев// Сварочное производство - 1974 - № 11 - С.26.29.
21. Никитин, А.В. Влияние скорости охлаждения сварных пластин на свойства соединения сплава АМг6 [Текст]. /А.В. Никитин, Д.М. Рабкин// Автоматическая сварка. - 1964г. - №8 - С. 21 - 25.
22. Раямяки, П.Н. Определение основных характеристик температурного поля для оценки типа затвердевания металла шва при сварке плавлением. [Текст] /П.Н Раямяки, В.Л. Кархин, П.Н. Хомич//Сварочное производство. - 2007 - №2. - С. 3 - 7.
23. Березовский, Б.М. Давление дуги. Дефекты сварных швов, перенос электродного металла [Текст]. /Б.М. Березовский. //Том 3- Издательство ЮУрГУ - Челябинск - 2003г. - С. 485.
24. Киселев, С.Н. Газоэлектрическая сварка алюминиевых сплавов[Текст] . / С.Н. Киселев, В.А. Хаванаов, В.В. Рощин, В.И. Таран - М.: Машиностроение - 1972. - 175 С.
25. Руссо, В.Л. Дуговая сварка в инертных газах [Текст]. /В.Л. Руссо; Л. Судостроение. - 1984 -118 С.
26. Patent JP58199840 Japan, C22C21/10. Al-Zn-Mg Alloy for welded structure with low crater crack sensitivity./Sugiyama, Sadahiko; Sumitomo light met¬al IND LTP. - JP 1982000084363; filing date 05/19/1982; publication date 11/21/1983.
27. Новожилов, Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах [Текст]. /Н.М. Новожилов; М. Машиностроение - 1979 - С. 230.
28. Суздалев, И.В. Влияние параметров режима сварки на форму и размеры кратера сварочной ванны и толщину жидкой прослойки под дугой [Текст]. /И.В. Суздалев, Б.М. Березовский, В.К. Прохоров //Сварочное производство. - 1988г. - №8 - С. 35-36.
29. Ельцов, В.В. Ремонтная сварка и наплавка изделий из сплавов магния и алюминия трехфазной дугой. [Текст] /В.В. Ельцов; Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук - ТГУ,Тольятти - 2002. - С. 495.
30. Ищенко, А.Я. Влияние состава защитных газов на технологические характеристики дуги при сварке алюминиевых сплавов неплавящимся электродом [Текст]. /А.Я. Ищенко, В.П. Будник, А.Г. Покляцкий, А.А. Гринюк// Автоматическая сварка. - 2000 - №2 - С. 19-25.
31. Ельцов, В.В. Формирование усадочного кратера при реализации линейного спада тока в момент окончания сварки [Текст]. / В.В. Ельцов, О.А. Дитенков, А.С. Зеленков, П.С. Харитонов // Проведение научных исследований в области машиностроения. Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Часть 1. Тольятти, 2009. - С. 180-184.
32. Dennis Klingman. Learning to use new GTAW Technology.//American Welding Society. Welding Journal. - Copyright 2001 - №4
33. Tony Anderson. Special Equipment Improves Aluminum Weld Quality. - 2001 - №11.
34. А. с. 1311886 СССР, МКИ В23К9/00. Способ регулирования процесса дуговой сварки [Текст] ./Б.М. Березовский, И.В. Суздалев// № 3535543/31-27; заявл. 10.01.1983г.; опубл. 23.05.1987г., Бюл. №19//Открытия. Изобретения. - 1987г. - №19.
35. Дилигенский, Н.В. Математические модели подвижных тепловых полей концентрированных источников энергии [Текст]. /Н.В. Дилигенский, В.З.Чертков, Ю.В. Михеев//В кн - Управление распределенными системами с подвижным воздействием. - М. : Наука - 1979 -187 с.
36. Рабинович, И.Я. Расчет тепловой мощности трехфазной дуги при сварке неплавящимися электродами в аргоне [Текст]. /И.Я. Рабинович, И.В. Вавуло// Сварочное производство. - 1975 - №2. - С. 5-9.
37. Ельцов, В.В. Особенности воздействия сварочной дуги на поверхность металла при наплавке изделий из алюминиевых сплавов [Текст]. /В.В. Ельцов //Технология машиностроения. - 2002 - №2. - С. 65-69.
38. Столбов, В.И. Сварочная ванна: Монография [Текст]. /В.И. Стол- бов//Тольятти. : ТГУ - 2007 -147с.
39. Ельцов, В.В. Влияние разделения теплового потока трехфазной сварочной дуги на форму и размеры сварочной ванны [Текст]. / В.В. Ельцов, А.С. Зеленков, О.А. Дитенков, П.С. Харитонов // Проведение научных исследований в области машиностроения. Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Часть 1. Тольятти, 2009. - С. 184-187.
40. Ельцов, В.В. Анализ источников питания для сварки изделий из
легких сплавов [Текст]. / В.В. Ельцов, П.С. Харитонов, О.А. Дитенков, А.С.
Зеленков // Проведение научных исследований в области машиностроения. Сборник материалов Всероссийской научно -технической конференции с эле-ментами научной школы для молодежи. Часть 1.- ТГУ.Тольятти - 2009. - С. 141-143.
41. Борисоглебский, Ю.В. Металлургия алюминия [Текст]./ Ю.В. Борисоглебский, Г.В. Галевский, и др.// Новосибирск. : Наука. Сибирская издательская фирма РАН - 1999 - 437 C.
42. Ельцов, В.В. Ремонтная сварка и наплавка изделий из сплавов магния и алюминия трехфазной дугой [Текст]./В.В. Ельцов//Ремонт, восстановление и модернизация. - 2005 - № 9 - С. 6-12.
43. Столбов, В.И. Источник питания трехфазной дуги с программируемым изменением тока [Текст]./В.И. Столбов, В.В. Ельцов, И.А. Олейник, В.Ф.
Матягин// Сварочное производство -1990 - №11- С.24-26.
44. Ельцов, В.В. Изменение мощности трехфазной дуги в режиме online [Текст]./ В.В. Ельцов, О.А. Дитенков, П.А. Сазонов, В.В. Кочкин // Сварочное производство - 2010 - № 3. - С. 26- 30.
45. Росстат РФ опубликовал данные о рынке сварочного оборудования
[Электронный ресурс] : [офиц. Сайт]. - 2018 - URL: http://center-
svarki21.ru/novosti/rosstat-rf-opublikoval-dannyye-o-rynke. Свободный. - Загл. с экрана.