Розробка основ дугового зварювання з комбінованими електромагнітними діями, які забезпечують комплексне поліпшення показників якості з’єднань. Використання магнітних полів, що генеруються у робочій зоні багатополюсними електромагнітними системами.
Аннотация к работе
Серед них зовнішні електромагнітні дії (ЕМД) мають найбільші технологічні можливості і не потребують для реалізації громіздких додаткових пристроїв. дуговий зварювання електромагнітний Якушиним і іншими авторами показали, що застосування ЕМД з аксіальними керуючими магнітними полями (КМП) при зварюванні середньо і високолегованих сталей, жароміцних і жаростійких сплавів, алюмінієвих і титанових сплавів дозволяє здійснювати дегазацію швів, значно підвищувати їх опір утворенню гарячих і холодних тріщин, зменшувати швидкість міжкристалітної корозії. Наприклад, при MIG-зварюванні з аксіальним КМП одночасно з поліпшенням кристалізації і, відповідно, підвищенням технологічних та фізико-механічних характеристик зварних швів зменшується глибина проплавлення та збільшуються втрати металу електродного дроту на розбризкування. Тому актуальною науково-технічною проблемою є пошук та розробка нових підходів до дугового зварювання з ЕМД, при яких одночасно підвищуються технологічні та фізико-механічні характеристики швів і покращуються показники їх формування та перенос електродного металу. В роботі відображено результати експериментальних і теоретичних досліджень, отриманих впродовж 2003 - 2005 років при виконанні завдання Міністерства освіти і науки України №ДП/232 - 2003 "Стабілізація і поточний контроль якості швів при дуговому підводному зварюванні трубопроводів" (номер держреєстрації 0100U000939) і впродовж 2006 - 2007 років при виконанні завдання №2993 "Наукові основи формування наплавлених шарів з мінімальним тепловнесенням" (номер держреєстрації 0106U007331).У першому розділі на основі аналізу впливу різних видів зовнішніх імпульсних дій на процеси дугового зварювання показано переваги ЕМД, які полягають в тому, що вони є обємними, безконтактними із елементами системи джерело живлення - дуга - зварювальна ванна, не потребують для реалізації громіздких додаткових пристроїв і мають найкращі динамічні характеристики. Виявлено, що від параметрів використаного КМП залежить характер впливу ЕМД на обєкти керування, змінюються як спектр видів зварювання, у яких їх доцільно застосовувати, так і показників якості швів, на які є можливість максимально ефективно впливати. Залежно від напрямку магнітного потоку наявність BY у області горіння дуги призводить до її відхилення в процесі зварювання у бік головної або хвостової частин ванни, у наслідок чого погіршуються процеси формування швів. При зварюванні з ЕМД на основі радіальних центральносиметричних КМП, незалежно від спрямування (до поверхні ванни, або до її дна) силової дії на розплав у секторі головної частини ванни, обмеженому бп=60є і 120є, підвищення BY до 6?9МТЛ призводило до збільшення на 50?65% глибини проплавлення швів. У наслідок цього у поздовжньому її перерізі поверхня розплаву має вид двох спряжених у точці А дуг, радіуси яких дорівнюють: де bшв-ширина шву, HA - відстань від поверхні зварного зєднання до точки спряження дуг;-глибина кратеру; - глибина проплавлення; - висота рідкого прошарку під дугою; RA - радіус провідності дуги; lkp - довжина хвостової частини ванни.
План
Основний зміст роботи
Список литературы
Основні наукові положення роботи, виявлені закономірності, запропоновані принципи, розроблені способи і засоби для їх реалізації полягають у наступному: 1. Виникнення побічних негативних ефектів при зварюванні з використанням розроблених у минулі роки способів ЕМД тільки на основі аксіальних і радіальних магнітних полів повязано з різною їх дією на дугу як джерело нагріву і краплі на торці електродного дроту з одного боку, і розплав ванни з другого. Комплексне поліпшення процесів формування та кристалізації швів можливе при одночасному або почерговому генеруванні у зоні зварювання магнітних полів з різними амплітудними, частотними і векторними характеристиками, що є ознакою комбінованих КМП.
2. Комбінування магнітних полів шестиполюсних циліндричних і багатополюсних лінійних електромагнітних систем дозволяє генерувати у зоні зварювання всі їх необхідні конфігурації для керування переміщеннями розплаву і геометричним розташуванням дуги. Так при паралельному ввімкненні усіх полюсів створюються аксіальні КМП з індукціями до 20МТ, а при послідовному - центральносиметричні радіальні, які характеризуються відсутністю індукції на поздовжній осі дуги і її максимальними значеннями до 10МТ у головній і хвостовій частині ванни. Почергове генерування аксіальних і центральносиметричних радіальних КМП створює у зоні зварювання мультивекторні магнітні поля. Узгоджене ввімкнення пар протилежно розташованих електромагнітів дозволяє створювати радіальні магнітні поля з індукціями до 8МТ, а їх послідовне підключення - обертальні магнітні поля.
ЕМД на основі аксіальних і обертальних магнітних полів доцільно застосовувати для поліпшення кристалізації швів, а радіальних і центральносиметричних - для змін їх геометричних параметрів.
3. Встановлено, що в умовах зварювання неплавким електродом для збільшення до 65% глибини проплавлення швів у наслідок зменшення висоти екрануючого рідкого прошарку під дугою найбільш ефективними є ЕМД, що спричинюють створення у головній частині ванни вертикальної, спрямованої до її дна обємної силової дії на розплав. Це досягається генеруванням у зоні зварювання радіальних центральносиметричних КМП, у яких в головній частині ванни у секторі, обмеженому центральним кутом бп=60є?120є, генерується поперечне магнітне поле з індукцією 6?10МТ.
Дещо менше (до 40%) збільшення глибини проплавлення досягається поздовжніми відхиленнями дуги радіальним КМП, у якого через проміжки часу 0,03ч 0,05с, достатньою для формування відцентрових потоків розплаву, змінюється на протилежний напрямів потоку індукції, величиною 8ч 10МТ.
4. Встановлено, що при зварюванні неплавким електродом подрібнення структури швів у наслідок повторної кристалізації, скорочення на 30% температурного інтервалу крихкості забезпечуються як почерговими переміщеннями перегрітого розплаву із головної і центральної частин ванни вбік фронту кристалізації, так і інтенсивними коливаннями всього її обєму. Це досягається генеруванням у зоні зварювання: - аксіальних низькочастотних КМП з індукцією 12МТ і частотою 25Гц;
- обертальних з частотою 20?35Гц КМП з індукцією 8ч 10МТЛ;
- аксіальними модульованими КМП (для сплаву АМГ 6 з частотою 215Гц і індукцією 100MT).
5. При дуговому зварюванні неплавким електродом одночасне подрібнення структури швів і збільшення до 40ч 45% глибини їх проплавлення досягається при обємному керуванні гідродинамікою розплаву ванни шляхом почергового переміщення розплаву із головної частини ванни у хвостову як вздовж її бічних, так і донної поверхні комбінованими ЕМД, які ґрунтуються на почерговому генеруванні у робочій зоні аксіальних знакозмінних і центральносиметричних радіальних КМП. При цьому за однакової їх індукції 15MT тривалість часових інтервалів, у продовж яких діє аксіальне по відношенню до електроду магнітне поле, має бути не меншим за 0,04с і більшим у 2ч 2,5 рази за тривалість часових інтервалів дії поперечного по відношенню до осі швів магнітного поля, яке забезпечує створення силової дії на розплав, спрямованої до дна ванни.
6. Встановлено, що при MIG-зварюванні створення у обємах крапель модульованими аксіальними магнітними полями (індукція 0,2ч 0,8Тл; тривалість одного імпульсу - 0,15мс; їх частота - 30Гц) обємної імпульсної сили, спрямованої до зварювальної ванни зменшує на 20% втрати електродного металу на розбризкування та більше ніж у 2 рази діаметр крапель, відповідно збільшує частоту їх переносу. Вибір оптимальних параметрів даних електромагнітних дій забезпечується використанням розробленої розрахункової схеми, що враховує теплофізичні властивості електродного дроту та умови зварювання.
7. Виявлено, що при широкошаровому наплавленні неплавким електродом періодичне генерування багатополюсною лінійною ЕМС радіального магнітного поля з індукцією у дуговому проміжку 7ч 10МТЛ створює електромагнітну силу, що діє на дугу перпендикулярно напрямку наплавлення, спричинює покрокове її переміщення зі швидкістю до 1,4м/с, у наслідок чого забезпечується однакова глибина проплавлення по всій ширині шару.
8. Для визначення у інженерній практиці оптимальних параметрів аксіальних, поперечних і імпульсних магнітних полів з точністю, більшою за 90% розроблено розрахункові схеми, які ураховують специфіку різних способів зварювання, параметри їх режимів і особливості енерговнесення у шви, геометричні характеристики ванни і теплофізичні властивості зварюваних матеріалів.
9. На основі проведених досліджень сформульовано основні принципи створення спеціалізованого обладнання для зварювання і наплавлення з комбінованими ЕМД, які полягають у тому, що ЕМС слід створювати у вигляді вузлів і доповнювати ними конструктивні схеми найкращих зразків серійного технологічного обладнання. Функціональні схеми повинні забезпечувати можливість їх реалізації за допомогою однокристальних ЕОМ або спеціалізованих контролерів, що надає підвищену надійність апаратним засобам і простоту підстроювання параметрів КМП під специфічні умови зварювання зєднань або наплавлення поверхонь будь якої просторової форми шляхом коректування програмного забезпечення.
10. Визначені перспективні напрямки застосування комбінованих ЕМД, зокрема, для умов мокрого підводного зварювання. Показано, що і у даних умовах застосування ЕМД з аксіальними КМП супроводжується позитивними змінами у гідродинаміці розплаву ванни, які проявляються у зниженні у 2,2ч 2,5 рази вмісту водню у металі швів, подрібненні їх мікроструктурних складових, збільшенні коефіцієнту переходу легуючих елементів із дроту. Подальше удосконалення зазначеного способу зварювання потребує використання модульованих аксіальних магнітних полів, які додатково забезпечують інтенсивне керування процесами масопереносу електродного металу індукційним способом, що особливо актуально при орбітальному зварюванні кільцевих стиків.
Основні результати і положення дисертації опубліковані у таких роботах
Здобувачем узагальнено результати експериментальних досліджень, запропоновано спосіб комплексної оцінки впливу параметрів керуючих магнітних полів на процеси кристалізації швів.
2. Черниш В.П., Рижов Р.М. Зависимость параметров управляющего магнитного воздействия от энерговложения в стык при дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 1998. - №5. - С. 49 - 51.
Здобувачем досліджено вплив енергетичних параметрів режимів зварювання на оптимальні параметри зовнішніх електромагнітних дій.
3. Рижов Р.М., Скачков І.О. Измерение внешних управляющих магнитных полей при дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 1998. - №6. - С. 6 - 7.
Здобувачем розроблено функціональну схему приладу і перевірено її працездатність в реальних умовах.
4. Максімов С.Ю., Пріліпко О.О., Рижов Р.М., Кожухар В.А. Влияние внешнего электромагнитного воздействия на содержание водорода в металле швов при мокрой подводной сварке // Автоматическая сварка. - 2003. - №6. - С. 55-56.
5. Рижов Р.М., Кожухар В.А., Максімов С.Ю., Пріліпко О.О. Применение внешних электромагнитных воздействий для улучшения механических свойств при подводной мокрой сварке // Автоматическая сварка. - 2004. - №11. - С. 53-54.
В роботах 4 і 5 здобувачем узагальнено результати експериментальних досліджень і зроблено їх порівняльний аналіз з даними інших авторів, отриманими в умовах зварювання під шаром флюсу.
6. Рижов Р.М., Кузнєцов В.Д., Малишев О.В.. Применение шестиполюсной электромагнитной системы для управления параметрами формирования швов при сварке неплавящимся электродом // Автоматическая сварка. - 2004. - №2. - С. 45-49.
Здобувачем розроблено пальних з електромагнітною системою, визначені найбільш доцільні схеми комутації її полюсів і узагальнено результати експериментальних досліджень.
7. Рижов Р.М., Семенюк В.С., Тітов А.О. Особенности формирования и кристаллизации швов при TIG-сварке с отклонениями дуги магнитным полем // Автоматическая сварка. - 2004. - №4. - С. 17-20.
Здобувачем розроблені принципи створення різних типів обертальних магнітних полів і узагальнено результати експериментальних досліджень.
8. Рижов Р.М., Сидоренко П.Ю., Золотовський А.О. Зависимость параметров внешних электромагнитных воздействий от технологических особенностей дуговых способов сварки // Вестник НТУУ"КПИ". - 2005. - №46. - С. 114 - 116.
Здобувачем узагальнено результати математичного моделювання і визначено вплив типових збурень на розподіл індукції у зоні зварювання.
9. Рижов Р.М., Применение комбинированных электромагнитных воздействий для улучшения качества швов при сварке неплавящимся электродом // Автоматическая сварка. - 2005. - №7. - С. 59-61.
10. Рижов Р.М. Принципи обємного керування гідродинамікою розчину зварювальної ванни // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2005. - №4. - С.83 - 87.
11. Рижов Р.М., Кожухар В.А., Максімов С.Ю., Пріліпко О.О. Влияние внешних электромагнитных воздействий на микроструктуру и химический состав швов при подводной мокрой сварке. // Автоматическая сварка. - 2005. - №10. - С. 41-42.
Здобувачем на основі аналізу мікроструктур зварних зєднань і хімічного складу швів визначено оптимальні параметри керуючих магнітних полів.
12. Рижов Р.М, Кузнєцов В.Д. Выбор оптимальных параметров внешнего электромагнитного воздействия при дуговых способах сварки // Автоматическая сварка. - 2005. - №6. - С. 59-61.
Здобувачем розроблено розрахункову схему, що дозволяє вибирати оптимальні параметри керуючих магнітних полів, доведено її адекватність реальним умовам зварювання.
13. Р.М. Рижов, В.Д. Кузнєцов. Е.А. Пріліпко. Методика расчета параметров управляющего электромагнитного воздействия при дуговой сварке конструкционных сталей // Вестник НТУУ "КПИ". - 2005. - №45. - С. 176 - 177.
Здобувачем удосконалено розрахункову схему вибору оптимальних параметрів електромагнітних дій для умов зварювання як на повітрі, так і під водою.
14. Рижов Р.М., Кузнєцов В.Д. Электромагнитные воздействия в процессах дуговой сварки и наплавки // Автоматическая сварка. - 2006. - №10. - С. 36-44.
Здобувачем розроблено класифікацію керуючих магнітних полів, систематизовано і узагальнено дані відносно ефективності застосування різних електромагнітних дій в процесах дугового зварювання. Визначено найбільш перспективні шляхи удосконалення даних технологій.
15. Рижов Р.М., Сидоренко П.Ю., Золотовський А.О. Принципи конструювання спеціалізованих пальників для дугового зварювання з електромагнітними діями // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2006.- №1.- С. 54 - 59.
Здобувачем визначено методику розрахунку індукції магнітного поля і узагальнено результати моделювання.
16. Рижов Р.М., Сидоренко П.Ю. Принципи вибору структури багатополюсних електромагнітних систем для керування процесами дугового зварювання // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2006.- №3.- С. 76 - 82.
Здобувачем розроблені принципи вибору структур і геометричних параметрів багатополюсних електромагнітних систем.
17. Рижов Р.М., Максімов С.Ю., Пріліпко О.О. Влияние внешних электромагнитных воздействий напористость швов при подводной мокрой сварке // Вестник НТУУ"КПИ". - 2006. - №48. - С. 226 - 229.
Здобувачем узагальнено результати експериментальних досліджень.
18. Рижов Р.М., Сидоренко П.Ю., Зімовченко О.Л. Принципи керування процесами широкошарового наплавлення з зовнішніми електромагнітними діями і конструювання головок для їх реалізації // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2007.- №1.- С. 62 - 70.
Здобувачем узагальнено результати математичного моделювання і розроблено принципи керування процесами широкошарового наплавлення з зовнішніми електромагнітними діями
19. Рижов Р.М. Влияние импульсных электромагнитных воздействий на процессы формирования и кристаллизации швов // Автоматическая сварка. - 2007. - №2. - С. 56-58.
20 W. Czernysz, R. Ryzhov, E. Tyrec. Influence of electromagnetic effect in welding on the increase in resistance to hot cracking // Welding international. - 2004. - vol. 18. - p. 257 - 262.
Здобувачем узагальнено експериментальні дані впливу електромагнітних дій на параметри температурного інтервалу крихкості складнолегованих сталей і сплавів.
21 Малишев О.В., Рижов Р.М. Пальник для зварювання з зовнішніми електромагнітними діями // Деклараційний патент на винахід №42252А В 23К 9/08. - 15.10.2001. - Бюл.№9.
Здобувачем розроблено електромагнітну систему, що входить до складу пальника.
22 Тітов А.А, Малишев О.В., Рижов Р.М. Спосіб зварювання неплавким електродом з використанням зовнішніх комбінованих керуючих магнітних полів і пристрій для його реалізації // Патент на винахід №50430 У 23ДО 9/08 15.10.2002. - Бюл. №10.
Здобувачем розроблено спосіб зварювання і функціональна схема пристрою для його реалізації.
23 Рижов Р.М., Кожухар В.А., Пріліпко Є.О., Максімов С.Ю. Спосіб підводного мокрого зварювання з використанням електромагнітних полів // Патент на винахід №67511А В 23К 9/08 від 15.06.2004. - Бюл. №6.
Здобувачем розроблено спосіб зварювання.
24 Рижов Р.М., Зімовченко О.Л. Спосіб дугового широкошарового наплавлення // Деклараційний патент на корисну модель №9158 В 23К 9/08. - 15.09.2004. - Бюл.№9.
Здобувачем розроблено спосіб широкошарового наплавлення неплавким електродом.
25 Рижов Р.М., Зімовченко О.Л. Головка для широкошарового наплавлення з використанням поперечних магнітних полів // Деклараційний патент на корисну модель №9160 В 23К 9/08. - 15.09.2004. - Бюл.№9.
26 Рижов Р.М., Зімовченко О.Л. Головка для дугового широкошарового наплавлення // Деклараційний патент на корисну модель №15855 В 23К 9/08. - 17.07.2006. - Бюл.№7.
В роботах 25 і 26 Здобувачем розроблено конструктивні схеми головок.
27 Рижов Р.М. Система стабилизации индукции магнитного поля при ручной аргонодуговой сварке с электромагнитными воздействиями // Тези доповіді на міжнародній науково-технічній конференції "Сварка и родственные технологии в XXI век". Київ 1999 р.
28 Рижов Р.М. Малишев О.В. Особливості формування швів при TIG - зварюванні з шестиполюсною електромагнітною системою // Тези доповіді на міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові. Львів 2001р.
Здобувачем сформульовано механізм впливу центральносиметричних магнітних полів на процес формування швів.
29 Максимов С.Ю., Прилипко Є.О., Рижов Р.М., Кожухар В.А. Применение внешних электромагнитных воздействий для улучшения качества швов при дуговой подводной сварке // Тези доповіді на міжнародній конференції "Современные проблемы сварки и ресурса конструкций", Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2003 г.
30 Рижов Р.М., Кожухар В.А., Прилипко Є.О Применение внешних электромагнитных воздействий для улучшения механических свойств соединений при подводной мокрой сварке // Тези доповіді на ІІ всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології", Київ, 2003р.
В роботах 29 і 30 Здобувачем узагальнено результати досліджень.
31 Рижов Р.М., Ярошенко В.М. Применение комбинированных электромагнитных воздействий для комплексного улучшения параметров качества швов при сварке неплавящимся электродом // Тези доповіді на ІІІ всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів "Зварювання та суміжні технології", Київ, 2005р.
Здобувачем сформульовано принципи обємного керування параметрами якості швів.
32 Рижов Р.М., Зімовченко О.Л. Применение электромагнитных воздействий для управления параметрами перемещения дуги при широкослойной TIG- наплавке // Тези доповіді на ІІІ всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів "Зварювання та суміжні технології", Київ, 2005р.
Здобувачем розроблено принципи керування зворотно-поступальними рухами дуги при зварюванні неплавким електродом.
33 Рижов Р.М., Зімовченко О.Л. Применение широкослойной импульсно-дуговой наплавки с электромагнитными воздействиями для управления параметрами формирования наплавляемого слоя // Тези доповіді на республіканській науково-методичній конференції "Современные проблемы сварки, наплавки и материаловедения", Маріуполь, ПГТУ, 2005р.
Здобувачем сформульовано особливості процесу формування наплавленого шару при імпульсному горінні дуги.
34 Зімовченко О.Л., Рижов Р.М. Моделювання теплових процесів у виробі при дуговому широкошаровому наплавленні // Тези доповіді на IV всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів "Зварювання та суміжні технології", Київ, 2005р.
Здобувачем розроблено принципи побудови математичної моделі.
35 Сидоренко П.Ю., Рижов Р.М., Бережний Д.В. Експериментальна оцінка силового впливу зовнішніх імпульсних електромагнітних полів на процеси масопереносу електродного дроту // Тези доповіді на IV всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів "Зварювання та суміжні технології", Київ, 2005р.