Повышение эффективности процессов сварки вольфрамовым электродом в инертных газах титановых балочных и панельных конструкций летательных аппаратов (15.11.2010)

Автор: Долотов Борис Иванович

где H – глубина 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).

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:

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):

где Iсв – сила сварочного тока, А.

. С учетом этого уравнение (3) можно записать в виде

вычисляется по закону полного тока (закону Эрстеда):

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

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

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

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

- 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.


загрузка...