Технология сборки и сварки опорной балки автокрана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Исследовательская часть 

Содержание

 

 

 

Введение

 

Одним из наиболее распространенных видов электродуговой сварки является сварка в защитных газах. Состав защитного газа оказывает существенное влияние на качество сварного соединения, расход присадочного электродного металла и экономические показатели процесса сварки.

Для сварки углеродистых и низколегированных сталей в качестве защитного газа используют углекислый газ, смеси инертного газа с кислородов или углекислым газом.

Чистый аргон не может быть использован для сварки углеродистых сталей в среде защитного газа, поскольку дуга будет очень нестабильной. Для стабилизации дуги используется окислительный газ. Этим газом может быть СО2, кислород или оба газа вместе.

Три различных типа аргоновых смесей для сварки углеродистых сталей имеют небольшие отличительные особенности. При добавлении в аргон одного СО2 геометрия наплавленного валика сварного шва бывает, как правило, немного лучше, чем при добавлении в аргон одного кислорода.

Напряжение дуги немного выше и, следовательно, текучесть сварочной ванны до некоторой степени лучше. При добавлении в аргон одного СО2 поверхностное натяжение расплавленного металла также немного ниже.

Добавление в аргон кислорода создает меньшее давление на сварочную ванну и , следовательно, величина проплавления при добавлении кислорода будет ниже, чем при добавлении СО2. Это особо касается проплавления боковой стенки.

При добавлении в аргон, как кислорода, так и СО2, могут быть получены смеси, сочетающие их свойства.

 

2.1. Влияние состава защитного  газа на технологические характеристики сварочной дуги

 

Для получения информации,  о влиянии состава защитного газа на качество сварных швов при сварке углеродистых и низколегированных сталей, был проведен литературный обзор, по журналам «Автоматическая сварка» и его зарубежным аналогам. Он показал возрастающее применение двух, трех и четырех компонентных смесей в Германии, Англии, Японии. Небольшое разбрызгивание, гладкая поверхность шва без подрезов в переходах к основному металлу достигается в газовой смеси (80%Ar+20%CO2), что позволяет применять ее для сварных конструкций, работающих при динамических нагрузках. Трехкомпонентная газовая смесь (78%Ar+2%O2+20%CO2) обладает теми же достоинствами и дает возможность вести наплавку с малой глубиной проплавления основного металла при сварке качественных и низколегированных сталей[4].

При сварке высоколегированных сталей применяется трехкомпонентная смесь (78%Ar+15%He+2%CO2), при которой достигается наибольшая глубина проплавления основного металла. Добавка гелия в газовую смесь обеспечивает ширину и глубину проплавления, высокую скорость сварки и производительность процесса. Форсирование режимов снижает затраты и коробление материала. Жидкотекучая ванна обеспечивает более длительную дегазацию металла и снижение пористости шва.

Повышение скорости сварки при одном и том же габарите шва возможно только за счет форсирования режимов сварки и принятия технологических мер по повышению коэффициента наплавки.

С повышением скорости сварки в углекислом газе резко увеличивается разбрызгивание металла. В то же время известно, что применение газовых смесей, в состав которых входят углекислый газ, аргон, кислород, позволяет уменьшить разбрызгивание металла при сварке с обычной скоростью. Однако отсутствовали данные о влиянии этих смесей на разбрызгивание металла при сварке с повышенной скоростью (Vсв> 60 м/ч).

Разбрызгивание оценивали по методике работы. Влияние скорости сварки в углекислом газе и угла наклона электрода на разбрызгивание металла.

В опытах использовались электродная проволока Св-08Г2С диаметром 1,6 мм и пластины из стали 10ХСНД. Дугу защищали углекислым газом и смесями (СО2+20%O2), (Ar+5%O2), (Ar+20%CO2), (Ar+20%CO2+2%O2).

С ускорением сварки в газовых смесях, как и при сварке в СО2, разбрызгивание метала заметно усиливается (рис. 2.1).

 

Рис. 2.1. Зависимость разбрызгивания от скорости сварки, при сварке в защитной среде: 1 – СО2; 2 – 78%Ar+20%CO2+2%O2.

 

Установлено, что снижение окислительной способности газовой смеси увеличивает разбрызгивание металла при сварке с повышенной скоростью. Увеличение напряжения (удлинение) дуги способствует уменьшению разбрызгивания при сварке в смесях на основе аргона и его росту в случае применения углекислого газа или смеси (78%Ar+20%CO2+2%O2) [5].

Однако необходимо учитывать, что с увеличением напряжения на дуге при сварке с повышением скорости формирования швов резко ухудшается и падает стойкость против образования пор.

Поэтому следует принимать дополнительные меры для улучшения формирования шва и повышать эффективность газовой защиты.

Результаты испытаний также показали, что при сварке в смесях на основе аргона различных сталей, механические свойства металла шва не хуже, чем при сварке в углекислом газе.

Наивысшая производительность (при одинаковых условиях) достигается при сварке в углекислом газе, низшая – аргонокислородной смеси. При оценке производительности по наплавленному металлу наблюдается незначительное отклонение от указанной закономерности для проволоки диаметром 1,2 мм в диапазоне малых и средних значений тока, что связано с различными потерями электродного металла на разбрызгивание в зависимости от состава защитного газа. При сварке закаливающихся сталей целесообразнее оценивать эффективность сварочной дуги по продуктивности G(кг/кВт*ч) процесса сварки:

 

где: Fн – площадь сечения наплавленного или переплавленного металла;

 –удельный вес;

I, U–сварочный ток и напряжение;

V – скорость сварки.

Рис. 2.2а. Зависимость продуктивности процесса сварки от защиты среды. Количество расплавленного электродного металла. 1 – СО2; 2 – 78%Ar+20%CO2+2%O2.

 

Рис. 2.2б. Зависимость продуктивности процесса сварки от защиты среды.  Количество переплавленного металла. 1 – СО2; 2 -78%Ar+20%CO2+2%O2.

 

Эффективность действия сварочной дуги (исходя из критерия продуктивности) в зависимости от режима сварки и защитной среды приведены на рис. 2.2(а, б). Наибольшая эффективность (по количеству расплавленного электродного металла) достигается при сварке в аргонокислородной смеси, а  меньшая – в смеси углекислого газа и кислорода. Наибольшей проплавляющей способностью обладают дуги при сварке в смесях газов, наименьшей – только в углекислом газе.

Поскольку на формирование и пористость швов оказывает влияние не только газовая защита, но и сварочная проволока, поэтому по проведенным исследованиям о зависимости порога пористости шва от сварочного тока для различных марок проволоки и защитных газовых смесей можно сделать соответствующие выводы. Так как в качестве порога пористости принималось такое значение сварочного тока, при котором значительно ухудшалось формирование шва, появились бугристая, вздутая поверхность и поры.

Для сварки в защитных газах на больших токах наиболее приемлемы проволоки Св-08ГС и Св-08Г2С.

При этом применение смеси на основе аргона обеспечивает наиболее близкую к треугольнику форму проплавления. При применении остальных марок проволоки Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2 швы более узкие, высокие и склонные к образованию подрезов.

 

2.2. Оптимизация расхода защитного  газа при сварке плавящимся электродом

 

Количество защиты нагретого и расплавленного металла при сварке сталей плавящимся электродом в защитных газах оценивают по внешнему виду швов, характеру горения дуги, величине расхода защитного газа, измеряемой ротаметрами. При таких методах оценки количества защиты расходов газа часто завышается по сравнению с минимально необходимым и, следовательно, повышается технологическая себестоимость сварных швов.

В работе определяли оптимальный расход газа (при котором обеспечивается качественная защита зоны сварки от воздуха) в процессе сварки на различных режимах – с изменением сварочного тока, напряжения на дуге и частоты переноса капель.

Рис. 2.3 а. Изменение частоты переносакапель fkв зависимости от вылета электрода: 1 – Ar; 2 – 78%Ar+20%CO2+2%O2; 3- CO2.

 

Рис. 2.3б.  Изменение частоты переноса капель fkв зависимости от сварочного тока Iсв: 1 – Ar; 2 -78%Ar+20%CO2+2%O2; 3-CO2.

Рис. 2.3 в. Изменение частоты переносакапель fkв зависимости от скорости сварки Vсв: 1 – Ar; 2 –78%Ar+20%CO2+2%O2; 3-CO2.

 

Определяя оптимальный расход газа, при котором обеспечивается наименьшая частота переноса капель, необходимо учитывать влияние возможных возмущений процесса сварки на процесс переноса металла.

Установлено, например, что изменение длины вылета электрода на 5…7% вследствие возможных колебаний расстояния между токоподводящим мундштуком и изделием приводит к изменению частоты переноса капель на 6…8% из-за изменения напряжения на дуге (рис. 2.3 а).

Изменение напряжения холостого хода источника питания и сопротивления сварочной цепи, обусловленное колебаниями напряжения питающей сети, нагревом обмоток трансформаторов, ненадежность контактов и пр., а также изменение расстояния между соплом и свариваемой деталью приводят к отклонению напряжения на дуге на 5…6% и, как следствие, изменению на 5…8% частоты переноса капель.

При увеличении или уменьшении сварочного тока на 3…5% частота переноса капель возрастает или уменьшается на величину от 5 до 10% вследствие изменения сил поверхностного натяжения жидкого металла (рис. 2.3 б).

При изменении момента силы на валу двигателей механизмов подачи электродной проволоки и перемещения сварочного аппарата изменяются скорость подачи электродной проволоки и скорость сварки. Колебания скорости сварки в пределах 3…5% от заданного значения приводят к изменению частоты переноса капель до 3% (рис. 2.3 в). Нестабильность скорости подачи проволоки при использовании сварочных аппаратов АДГ-502 не превышает 5%. При этом отклонение частоты переноса электродного металла составляет 2%.

Таким образом, изменения частоты переноса капель в пределах до 20% могут быть вызваны совокупностью возмущений по перечисленным параметрам, даже при отсутствии воздуха в защитной атмосфере.

На основании проведенных исследований составлено уравнение регрессии, характеризующее влияние отклонений сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, расстояния от электрода до свариваемого изделия и концентрации воздуха в защитной атмосфере на частоту переноса капель электродного металла:

 

Как следует из уравнения, наиболее значимым фактором является концентрация воздуха в защитной атмосфере. Уменьшение расхода защитного газа до уровня, соответствующего минимальной частоте переноса капель, позволяет сократить потребление защитных газов до 10…20%.

В устройствах автоматического контроля качества газовой защиты влияние ряда возмущений процесса сварки на частоту переноса капель может быть учтено путем введения в алгоритм функциональных зависимостей (например, между напряжением, током и частотой переноса капель).

 

2.3. Выводы

 

Экспериментально определено влияние состава защитного газа на механические свойства металла шва и технологические характеристики сварочной дуги (разбрызгивание, производительность в зависимости от диаметра, вылета, степени легирования электродной проволоки) в диапазоне токов 200-550А.

На частоту переноса капель наиболее существенное влияние оказывает изменение содержания воздуха в защитной атмосфере. Оптимальному расходу защитного газа или смеси соответствует минимальная частота переноса электродных капель.

Если сравнивать два способа защиты сварочной ванны (чистый углекислый газ или аргоносодержащие многокомпонентные газовые смеси), то можно сделать выводы в пользу применения многокомпонентных газовых смесей.

Сварка в аргоносодержащих многокомпонентных смесях является наиболее рациональной при изготовлении балки КС-45717А.