научная статья по теме РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ»

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ

ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS

Статья поступила в редакцию 29.05.12. Ред. рег. № 1349 The article has entered in publishing office 29.05.12. Ed. reg. No. 1349

УДК 621.791.01

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ

В.П. Сидоров, И.В. Смирнов, А.И. Смирнова, Д.И. Архипкин

ООО «Сварочные машины и технологии» 445004, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Толстого, д. 7, оф. 306 Тел./факс (8482) 28-87-26, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru

Заключение совета рецензентов: 10.06.12 Заключение совета экспертов: 15.06.12 Принято к публикации: 20.06.12

В статье приводятся результаты исследования эффективности применения способа дуговой сварки с управляемым тепловложением, в сравнении с традиционным процессом сварки, для снижения затрат электрической энергии, идущей на формирование однотипных сварных соединений.

Ключевые слова: дуговая сварка, энергоэффективность, управление тепловложением.

CALCULATED EVALUATION OF ENERGY EFFICIENCY PROCESS ARC WELDING

WITH A CONTROLLED HEAT INPUT

V.P. Sidorov, I.V. Smirnov, A.I. Smirnova, D.I. Arhipkin

"Welding Machines and Technologies" Ltd. 7-306 Tolstogo str., Tolyatty, Samara reg., 445004, Russia Tel./fax (8482) 28-87-26, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru

Referred: 10.06.12 Expertise: 15.06.12 Accepted: 20.06.12

In article the results of the researches efficiency application a way of arc welding with a controlled heat input in comparison with traditional process of welding, for decrease in expenses of the electric energy going on formation of the single-type welded joining.

Keywords: arc welding, energy efficiency, control of heat input.

В течение последних пяти лет в России был разработан, исследован и внедрен в производство способ аргонодуговой сварки неплавящимся электродом с управляемым тепловложением. Суть предлагаемого подхода достаточно подробно описана в работах [1-5]. Способ основан на практическом применении нового принципа пространственно-параметрического управления тепловложением. Указанный принцип базируется на сочетании управления положением сварочной дуги в пространстве с синхронным управлением параметрами процесса сварки (силой тока, напряжением дуги, временем горения дуги).

Основным новшеством, применяемым в способе сварки с управляемым тепловложением, является управление пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля [6, 7]. Предлагаемый подход основан на том, что изменение положения сварочной дуги в пространстве происходит не под воздействием внешних магнитных полей, а за счет изменения напряженности магнитного поля, образующегося вокруг сварочной дуги в процессе сварки и называемого собственным магнитным полем сварочной дуги. В технике данный эффект получил название «магнитное дутье» [8].

В настоящее время процесс аргонодуговой сварки с управляемым тепловложением с успехом применяется для качественного формирования корневого слоя шва в односторонних соединениях, сварки разнородных металлов и для сварки металлов с большой разницей толщин. Однако последние теоретические изыскания позволяют с большой степенью уверенности говорить о том, что процесс сварки с управляемым тепловложением помимо технологических преимуществ может обеспечить существенное повышение эффективности использования тепловой энергии сварочной дуги в процессе дуговой сварки.

Повышение эффективности использования тепловой энергии дуги в процессе сварки может быть выражено прежде всего в сокращении затрат энергии, идущей на формирование единицы площади поперечного сечения сварного шва. Выдвигаемая гипотеза базируется на двух основных предпосылках:

1. При наличии поперечных колебаний сварочной дуги в пространстве в процессе сварки тепло от сварочной дуги будет более эффективно и полно передаваться свариваемому металлу, чем при стационарно горящей в поперечном направлении сварочной дуге. При традиционных способах дуговой сварки тепло от дуги передается к изделию через жидкую прослойку металла сварочной ванны, которая будет выступать как своего рода тепловой демпфер.

2. При наличии поперечных колебаний дуги сварной шов в поперечном сечении будет формироваться за счет перекрытия двух соседних участков сварного шва, каждый из которых расположен на одной из свариваемых кромок. При одинаковых режимах сварки (силе сварочного тока и скорости сварки) дуга, горящая на одну из свариваемых кромок, будет вызывать на ней формирование большей по площади зоны проплавления, чем дуга, горящая по центру стыка одновременно на две кромки. А поскольку шов в поперечном сечении будет формироваться за счет перекрытия двух соседних участков на двух соединяемых кромках, то в случае сварки с поперечными колебаниями при прочих равных услови-

ях сварки будет получаться шов с большей площадью поперечного сечения.

Для проверки высказанной гипотезы специалистами нашего предприятия были выполнены вычислительные эксперименты, заключающиеся в расчете размеров зоны проплавления свариваемых кромок при их соединении двумя сравниваемыми вариантами сварки:

- автоматической аргонодуговой сваркой с пространственно-параметрическим управлением тепло-вложением корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок;

- традиционной автоматической аргонодуговой сваркой (т.е. без поперечных колебаний дуги) корневого слоя шва стыкового соединения элементов с разделкой кромок.

Решение задач исследования проводилось с применением разработанных математических моделей традиционного процесса дуговой сварки и процесса дуговой сварки с управляемым тепловложением. Ряд специфических аспектов математической модели процесса сварки с управляемым тепловложением подробно описан в работе [3].

Для решения математических моделей использован численный метод решения, а именно метод конечных элементов. При описании свойств геометрической модели объекта теплопроводность задавали зависящей от температуры.

Для решения математических моделей использовали программный комплекс MathCAD Prime 1 с коммерческой лицензией.

Вычислительный эксперимент в каждом опыте заключался в определении размеров и формы зоны проплавления свариваемых кромок в сечении, перпендикулярном оси свариваемого стыка.

Данная работа посвящена расчетам, выполненным для низкоуглеродистой стали. Для примера в расчетах в качестве основного металла свариваемых кромок взята сталь 10. Основные варьируемые в ходе эксперимента факторы процесса приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения переменных факторов процесса при проведении вычислительного эксперимента по имитации процесса автоматической аргонодуговой сварки

Table 1

Values of variables during the process of computer simulation to simulate the automatic argon-arc welding

№ п/п Фактор Диапазон варьирования Исследуемые в эксперименте значения фактора

1 Сила сварочного тока, А 50 - 170 50; 110; 170

2 Время нахлеста, с 0 0

3 Величина тока нахлеста, А 0 0

4 Скорость сварки, см/с 0,15 - 0,5 0,15; 0,32; 0,5

5 Частота коммутации тока между каналами токоподвода, Гц 0,25 - 4 0,25; 1; 2; 4

6 Толщина свариваемого металла, мм 7,5 - 20 7,5; 10; 20

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Таблица 2

Фрагмент таблицы с результатами вычислительного эксперимента по определению картины температурного поля в свариваемых кромках толщиной 10 мм с разделкой

Table 2

Detail of the table with the results of computer simulation to determine the pattern of the temperature

field in the welded edges 10 mm from the butchering

№ п/п

Сварочный ток, А

Скорость сварки, см/с

Частота коммутации тока, Гц

Рисунок поперечного сечения

Площадь поперечного сечения шва, см2

Приращение площади сечения, %

Для каждой из трех изучаемых толщин выполняли серию экспериментов, каждый из которых состоял из четырех опытов. В рамках каждого эксперимента при постоянном сочетании толщины свариваемых кромок, силы сварочного тока и скорости сварки выполняли четыре опыта, различающиеся частотой поперечных колебаний сварочной дуги. В каждом эксперименте принимали следующие частоты поперечных колебаний дуги: 0; 0,25; 1 и 2 Гц. Частоте 0 Гц соответствует традиционный способ сварки.

В результате проведения вычислительных экспериментов для каждой из изучаемых толщин были сформированы таблицы с рассчитанными на каждом режиме сварки площадями поперечного сечения шва. Для примера фрагмент такой таблицы для толщины кромки 10 мм показан в табл. 2.

Аналогичные расчетные результаты получены для толщин кромок 7,5 и 20 мм.

В дальнейшем полученные экспериментальные данные подвергли дополнительной обработке с целью: - определения величины затрат электроэнергии на образование единицы площади сварного соединения при использовании способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложени-ем в сравнении с существующим сварочным оборудованием и технологиями дуговой сварки;

- определения производительности технологических процессов сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением в сравнении с существующими технологиями дуговой сварки при формировании одинаковой площади сечения сварного шва;

- определения величины возможного снижения себестоимости технологических процессов сварки и готовой сварочной продукции при использовании способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением в сравнении с существующими технологиями дуговой сварки при формировании одинаковой площади сечения сварного шва.

Проведенный анализ экспериментальных данных позволил установить, что использование способа сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением, в сравнении с традиционным способом сварки, позволяет сократить величину затрат электроэнергии на образование единицы площади сварного соединения на величину от 25% (при токе 50 А) до 47% (при токах 110-170 А). При этом наибольшая эффективность процесса сварки по величине затра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком