VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Импульсные методы при сварке в активных газах позволяют решить ряд задач, связанных с управлением процесса переноса электродного металла, управлением формирования геометрии и структуры сварного соединения [1].

Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро меняющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки – от минус 30-40°С, при сварке на морозе до температуры испарения металла (около 3000°С для стали). В этом промежутке температур происходят: плавление основного и присадочного металлов, металлургические реакции в жидкой ванне, кристаллизация расплавленного металла, структурные и объемные изменения в наплавленном и основном металлах. Чтобы управлять этими процессами, необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, в том числе и воздействие источников тепла, непосредственно выражающееся в изменении температуры металла.

Устройства для импульсного питания сварочной дуги, построенные по принципу «импульсно-регулируемого сопротивления», обладают определенным недостатком, а именно, наличием балластного сопротивления для обеспечения формирования тока паузы, которое приводит к потерям мощности, идущей на его нагрев, что снижает эффективность применения импульсных процессов.

В статье для снижения энергозатрат и повышения эффективность процесса импульсно-дуговой сварки предлагается методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующего подогрев вылета электрода [2].

Для поиска оптимальных режимов сварки с помощью программы Mathcad предложена математическая модель процесса.

Начальные условия:

- температура окружающей среды – 20°C

- удельное сопротивление (ρ) – 0,14×10^-6 Ом·м;

- удельная теплоемкость (c) – 462 Дж/кг·K;

-диаметр проволоки (d) – 1,2 мм;

- удельная теплота плавления (L) – 84×103 Дж/кг;

- температурный коэффициент зависимости сопротивления от температуры (α) – 0,04К^-1 [3].

Сварочную проволоку для расчетов принимаем за стержень, следовательно, температура в поперечном сечении распределена равномерно [4].

Граничные условия:

- максимальная температура подогрева 600°C (полученная экспериментально – с учетом обеспечения устойчивость горения дуги);

- ток паузы 35А;

- частота импульсов 100 Гц.

Методом подбора определены следующие параметры:

-скорость подачи электродной проволоки 430 м/ч. Для удобства расчетов переводим в м/с, т.е. скорость подачи равна 0,119 м/с.

-вылет проволоки между контактными наконечниками 0,2 м,

-шаг проволоки за 1 цикл равен 1,194×10^-3 м/c.

Для упрощения просчетов примем следующие допущения:

- во время паузы и нагрева проволоки подача останавливается;

- проволока движется только во время импульса на величину, которую она бы прошла за полное время цикла;

- проволока нагревается только за счет проходящего тока. Теплопроводность, теплоотдача не учитываются.

Таким образом, за один цикл проволока проходит равные участки. За первый цикл такой участок занимает положение «уч1», нагревается за время прохождения тока паузы, смещается и принимает положение «уч2», где снова нагревается и смещается в положение «уч3» и т.д.

Нагрев проволоки от проходящего тока происходит только за время паузы, равной 0,007с. Для определения изменения температуры за один цикл, необходимо найти количество теплоты, выделяемой на этом участке при прохождении тока, и посмотреть, на сколько градусов повысит это тепло вылет электродной проволоки.

Выделяемую теплоту на каждом участке вылета за один цикл находим по закону Ома:

Q=Iпаузы2Rtпаузы,

где Q – выделяемая теплота,

I_паузы – сила тока в паузе,

R – сопротивление участка электродной проволоки,

t_паузы – время паузы.

Изменение температуры находим по формуле: ∆T=Qcm.

Сопротивление найдем по формуле: R=ρls,

где l – длина участка проволоки, равная шагу за один цикл,

ρ – удельное сопротивление,

s – площадь сечения проволоки (для d=1,2 мм, s=1,13×10^-6 м²).

c – удельная теплоемкость,

m – масса участка электродной проволоки, равная произведению удельной плотности на ее объем (m=1,763×10^-3 кг).

Изменение сопротивления с повышением температуры найдем по формуле:

∆R=αRT.

Просчитываем изменение температуры и сопротивления за каждый шаг:

Q=Iпаузы2Rtпаузы,

∆T=Qcm,

T=Tнач+∆T,

∆R=αRT,

Rнов=R+∆R,

где R_нов – сопротивление проволоки после ее нагрева за время паузы.

В следующем цикле за R принимаем R_нов. В первом цикле T_нач будет равна температуре окружающей среды (по умолчанию – 20°C). Полученная температура T станет в следующем цикле начальной температурой T_нач. Как видно, наш процесс цикличен, пока не настанет состояние равновесия, при котором первый участок станет последним перед вторым контактным наконечником, он же и будет иметь максимальную температуру (в нашем расчете T_кон≈600°C), а начальный участок также будет иметь температуру окружающей среды.

Найдя сопротивление вылета проволоки за 1 цикл и приняв ток паузы 35А, рассчитана выделяемая теплота. Построен график по 10 известным точкам. Зависимость нелинейная. Выбирая из этого интервала 3 точки, методом квадратичной интерполяции определяем зависимость:

T=0,02n2+0,185n+20,056.

Методом экстраполяции найдены остальные точки и построен график.

Распределение температуры по длине проволоки представлено на рисунке 1.

Рис. 1. Распределение температур по длине проволоки

Расчеты показывают, что расход энергии, необходимой для расплавления проволоки и формирования капли, снижается на 35%, по сравнению с обычным импульсно-дуговым режимом. Этот запас энергии позволяет повысить частоту импульсов при аналогичном управлении процессом «один импульс – одна капля». Кратковременность действия тока импульса позволяет сваривать тонколистовой металл без прожогов. При наплавке снижается доля основного металла в наплавляемом слое.

Список литературы

1. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Князьков С.А. Особенности импульсного управления процессом сварки в СО₂ длинной дугой // Автоматизация и современные технологии. – 2002. – №9. – С. 12–15.

2. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Крампит М.А. Устройство для электродуговой сварки. / Патент на изобретение № 2429112 от 20.09.2011г.

3. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. Издательство «Высшая школа» – 1988г.

4. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. Издательство «МАШГИЗ» – 1951г.

Код для цитирования: Скопировать