Помощь студентам в учебе
Исследование процесса формирования усадочного кратера в месте окончания заварки дефектов изделий из алюминиевых сплавов
|
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
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
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.
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.