книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

Лабораторная работа № 5

«Исследование технологии плазменной сварки проникающей дугой цветных металлов и высоколегированных сплавов»

Цели работы:

1.Ознакомление с теоретическими и технологическими ос­ новами плазменной сварки проникающей дугой цветных метал­ лов и высоколегированных сплавов.

2.Получение навыков практической работы с оборудовани­

ем для автоматической плазменной сварки проникающей дугой. 3. Получение навыков исследовательской работы по опре­ делению оптимальных режимов плазменной сварки проникаю­

щей дугой цветных металлов и высоколегированных сплавов.

Методика проведения работы

Основными параметрами режима, определяющими качест­ во формирования шва при сварке проникающей дугой, являют­ ся: ток сжатой дуги /св; расход плазмообразующего газа Qn\ диа­ метр плазмообразующего сопла f/c; скорость сварки FCB, свобод­ ная длина сжатой дуги hCM.

Исследования проводятся на образцах из различных ма­ териалов:

1)алюминиевые сплавы -АМгб, АМг5, АМц, Д16;

2)коррозионно-стойкие стали - 12Х18Н1 ОТ;

3)жаропрочные стали - 09X16Н4Б;

4)сплавы на никелевой основе - ХН67ВМТЮ;

5)титановые сплавы - ВТ1, ОТ4.

Размеры образцов - толщина 5, 6, 8 и 10 мм, ширина не менее 50 мм, длина не менее 150 мм. Производится пред­ варительная сборка стыковых швов с зазором - (0 + 0,5) мм.

Для проведения исследований используется стенд для плазменной сварки, скомпонованный на базе станка наплавоч­ ного; плазмотроны для сварки на прямой и обратной полярности (конструкция кафедры сварочного производства и технологии конструкционных материалов Пермского государственного тех­ нического университета); источник питания сварочного тока типа ВДУ-505. В качестве плазмообразующего и защитного га­ зов используется аргон.

102

Порядок проведения работы

1. Подготавливается стенд плазменной сварки к работе:

1)включается пускатель системы управления стенда;

2)включается пускатель источника питания сварочного тока;

3)включается система подачи воды в систему управления плазмотрона и система подачи газа, устанавливается нужный расход, контролируемый соответствующими ротаметрами.

2.На рабочий стол укладывается собранный под сварку образец.

3.Устанавливаются требуемые параметры режима сварки (см. табл. 8, 9), включается сварочный ток и перемещение сварочной головки, при фиксированных режимах сварки меняется один из параметров. Проводится наблюдение за формированием шва.

4.После заварки шва производится оценка качества форми­ рования шва, замеры геометрических параметров шва. Результа­ ты фиксируются в журнале наблюдений.

5.Далее исследования проводятся последовательно по каж­ дому параметру при поддержании остальных параметров посто­

янными.

6.Строятся графики областей формирования сварных швов (например, рис. 53).

7.Выполняется анализ полученных в процессе работы ре­

зультатов. Составляются выводы по проведенным исследованиям.

Рис. 53. Области формирования сварного шва (сплав П202, 5 = 8 мм): / - сборка стыка без зазора; 2 - сборка стыка

сзазором; А - выплавление, Б - стабильное формирование;

В- рез; Г - непровар. /св= 200 А, А= 4 мм, яс= 3,5 мм

103

Техника безопасности

1.Работа на стенде для плазменной сварки производится под контролем ведущего преподавателя или учебного мастера.

2.Наблюдение за зоной сварки в процессе работы произво­ дится через сварочный светофильтр.

3.Работа с образцами после сварки производится после их полного остывания.

4.Сварка производится при включенной вытяжной вен­

тиляции.

5. При включении сварки высоковольтным высокочастот­ ным разрядом не допускается касание плазмотрона.

Контрольные вопросы

1.Особенности процесса плазменной сварки проникающей

дугой.

2.Особенности взаимодействия сжатой дуги с материалом при плазменной сварке проникающей дугой.

3.Возможные механизмы разрушения жидкой ванны при плаз­ менной сварке проникающей дугой.

4.Основные параметры режима при плазменной сварке проникающей дугой.

5.Характерные возможные области формирования сварных швов при плазменной сварке проникающей дугой.

6.Какие свойства металлов оказывают влияние на стабиль­ ность процесса формирования шва при плазменной сварке про­ никающей дугой?

7.Преимущества плазменной сварки проникающей дугой.

8.Чем определяется качество формирования сварного шва при плазменной сварке проникающей дугой?

9.Что описывают уравнения Лапласа и Юнга при рассмот­ рении процесса плазменной сварки проникающей дугой?

10.Для каких толщин возможно применение плазменной сварки проникающей дугой?

11.Чем отличается плазменная сварка проникающей дугой алюминиевых и жаропрочных сплавов на никелевой основе?

104

5.3.Низкотемпературное моделирование процесса плазменной сварки проникающей дугой

Непосредственно наблюдать процессы, происходящие в сва­ рочной ванне при плазменной сварке проникающей дугой, не пред­ ставляется возможным. Математическое моделирование сва­ рочных процессов, позволяющее выявить влияние технологиче­ ских факторов на свойства шва, требует выяснения физических явлений, происходящих в сварочной ванне.

В связи с этим представляет интерес физическое моделиро­ вание процесса плазменной сварки проникающей дугой.

5.3.1. Оценка возможности физического моделирования процесса плазменной сварки проникающей дугой

Для максимального сходства модели с реальным процессом необходимо обеспечить подобие явлений, происходящих в газо­ вой и жидкой фазах (геометрическое, кинетическое, динамиче­ ское и тепловое подобие).

Вопросам низкотемпературного моделирования процессов сварки плавлением высококонцентрированными источниками нагрева посвящен ряд исследований. Однако в общетехнической литературе нет сведений о возможности низкотемпературного моделирования процесса плазменной сварки проникающей ду­ гой. Это объясняется необходимостью соблюдения целого ряда условий подобия в газовой и жидкой фазе, обусловленного сложностью изучаемого процесса, например:

ВебераWe= ■ Эйлера- Eu=-Д г ;

оpV 1

Бонда - Во = р q /2/стж,

где а - коэффициент теплоотдачи; / - характерный размер;

105

X - коэффициент теплопроводности;

v - кинематический коэффициент вязкости; а - коэффициент температуропроводности; V- скорость;

g - ускорение свободного падения; t - время;

р- плотность;

р- давление;

стж - поверхностное натяжение.

Обеспечение равенства всех критериев подобия реального процесса и модели является невыполнимой задачей, однако при определенных допущениях задача может быть упрощена. Сжатая дуга может рассматриваться как затопленная неизотермическая турбулентная струя. При выборе материала модели необходимо обеспечение основного требования - равенства числа Ре жидко­ сти - натуры и модели. Установлено, что числа Ре для парафина и алюминия приближенно равны. Моделирование процесса плазменной сварки проникающей дугой алюминиевых сплавов можно осуществлять воздействием струи горячего воздуха на модель из парафина. В процессе моделирования плазменной сварки проникающей дугой должны соблюдаться следующие условия: воздействие струи горячего воздуха на материал моде­ ли при определенной скорости перемещения должно вызывать сквозное проплавление с образованием отверстия в нижней части полости кратера, образование и стабильное удержание жидкой ванны (в хвостовой части) до ее затвердевания. Следует добавить, что сама возможность стабильного ведения процесса сквозного проплавления модели струей горячего воздуха со стабильным удержанием жидкой ванны говорит об одинаковости физических процессов, происходящих в сварочной ванне, при плазменной сварке проникающей дугой и на модели.

Основные теплофизические свойства парафина: температу­ ра плавления - 56 °С, кипения - 416 °С, перехода - 53 °С; плот­ ность р = 758,5 кг/м3 при Тт = +50 °С; ц = 0,22755 Па с при Гпл.

Из условия равенства критериев подобия были определены геометрические параметры модели, параметры газовой струи и скорость относительного перемещения модели и сопла.

106

Целью проведения экспериментов является изучение, с по­ мощью физического моделирования, качественных закономер­ ностей явлений, происходящих в сварочной ванне при измене­ нии основных параметров процесса плазменной сварки прони­ кающей дугой.

Порядок проведения экспериментов следующий: струей го­ рячего газа добивались сквозного проплавления модели и прово­ дили наблюдение процессов, происходящих в полости кратера.

Модель шва представляет собой кювету, состоящую из двух кварцевых пластин, собранных при помощи зажимов. Кювета заполнена материалом модели.

Для визуализации движения расплава по полости кратера и в хвостовой части ванны используется угольная пудра, нане­ сенная на поверхность модели.

Процессы, происходящие в полости кратера, могут непо­ средственно наблюдаться исследователями и фиксироваться ви­ деоили фотокамерой.

Угол наклона передней стенки полости кратера (фронта плавления), длина полости, диаметр отверстия в корневой части кратера, форма передней стенки жидкой ванны являются пара­ метрами, которые характеризуют особенности протекания про­ цессов в полости кратера. В экспериментах появляется возмож­ ность определить зависимость этих параметров от изменения параметров моделирования.

5.3.2. Моделирование процесса плазменной сварки проникающей дугой

Проведенные эксперименты показывают, что струя воздей­ ствует на полость кратера не симметрично - на фронте плавле­ ния плавление материала и унос расплава с фронта плавления происходят непрерывно. Полость кратера в установившемся ре­ жиме отличается стабильностью формы и размеров (рис. 54). Угол наклона фронта плавления однозначно характеризует форму и размеры полости кратера. В хвостовую часть ванны расплав также поступает непрерывно. Изменение расхода газа или изменение скорости перемещения кюветы «сварки» ведет к изменению угла наклона фронта плавления (см. рис. 54) и со­ ответствующим изменениям формы и размеров полости кратера

107

(рост расхода газа ведет к увеличению угла наклона фронта плавления, аналогично происходящему при уменьшении «ско­ рости сварки»). Увеличение расхода газа (снижение «скорости сварки») вызывает ускорение плавления материала и унос рас­ плава в хвостовую часть, при этом происходит увеличение угла наклона фронта плавления а до 80° (см. рис. 54, а). Форма по­ лости кратера приближается к цилиндрической. При достиже­ нии критических значений угла наклона а = 76...80° начинается сброс расплава через сквозное отверстие (см. рис. 54, б), сниже­ ние и прекращение перемещения расплава по боковым стенкам в хвостовую часть, происходит разрыв жидкой ванны и начинается процесс реза. При стабильном режиме при угле наклона а = 55.. .75° (см. рис. 54, в, г, д) полость кратера имеет характерную конусо­ образную конфигурацию с искривленной (^-образной) передней стенкой жидкой ванны. Расплав с фронта плавления по боковым стенкам поступает в хвостовую часть, образуя жидкую ванну, которая удерживается силами поверхностного натяжения и дав­ лением, создаваемым струей в полости кратера. Плавление ма­ териала и унос расплава наиболее интенсивно происходит в зоне приложения максимального давления струи. При угле наклона 50 0 и меньше происходит переход к не стабильному удержанию ванны, затем - к резу и не проплаву (рис. 54, е, ж, з).

При моделировании наблюдались визуально и зафиксиро­ ваны на видео- и фотоснимках (см. рис. 54) вихревые движения расплава в хвостовой части ванны. Наблюдения показали, что из тонкого слоя угольной пудры, нанесенной на поверхность модели, частицы, пройдя через полость кратера, попадают в вихревые движения в жидкой ванне, удерживаются некоторое время в них, вращаясь, а затем равномерно заполняют весь объ­ ем жидкой ванны. В жидкой ванне существует два вихря: в верхней части ванны и в нижней части вблизи сквозного от­ верстия. Угловая скорость (оценивалась по движению частиц угольной пыли) вихрей находится в пределах 6,28-31,4 1/с.

Источником движения расплава в жидкой ванне следует считать наличие касательных напряжений на передней стенке ванны, возникающих при воздействии на нее струи газа. Интен­ сивность вихревого движения можно оценить по формуле

109

ЙГ du

со = —-----, й* dh

Цг= 22-1О-6 Па с - вязкость воздуха при 150 °С.

Среднюю скорость струи можно определить, зная расход Qc:

При изменении Qc по условиям моделирования скорость га­ зового потока находится в пределах и = 2,7.. . 1 0,8 м/с. Учитывая, что максимальная скорость струи итак = 2м, и приняв толщину пограничного слоя равной половине ширины полости кратера, можно рассчитать угловую скорость вихревого движения рас­ плава: © = 5...21 1/с. При радиусе вихря 1-2 мм линейная ско­ рость перемещения V = 0,15...2,5 м/мин, что в 15-20 раз выше скорости «сварки». Размеры и направления вихрей определяют­ ся формой полости кратера. При больших углах наклона фронта плавления (65-75 °) полость кратера имеет характерную узкую воронкообразную форму, верхний вихрь имеет значительно большие размеры, чем нижний (см. рис. 54, в). Направления вращения вихрей в этом случае одинаковы и совпадают на пе­ редней стенке жидкой ванны с направлением струи, сбрасывае­ мой через отверстие в корне шва. При уменьшении угла наклона (50-60 °) фронта плавления полость кратера расширяется, про­ исходит выравнивание размеров вихрей, направления вращения вихрей при этом остаются такими же, как и в предыдущем слу­ чае (см. рис. 54, г).

При дальнейшем уменьшении угла наклона фронта плавле­ ния (до 40-45 °) (полость кратера характеризуется широкой верх­ ней частью с нависанием жидкой ванны) происходит увеличение размеров вихря в нижней части и уменьшение в верхней части ванны, причем направление вращения вихря в верхней части из­ меняется на противоположное (рис. 54, д,е). В зависимости от со­ отношения размеров струи и полости кратера растекание струи по полости кратера имеет особенности. При узкой полости кратера разворот периферийной части струи происходит в верхнем объеме полости кратера (в приповерхностном слое) и по полости кратера часть струи с расходом QKраспространяется как стесненная струя. С уменьшением угла наклона фронта плавления (расширением

110