1 Введение

Повышение энергоэффективности промышленных предприятий, снижение потребления ими электроэнергии является приоритетной задачей в развитии науки и техники.

В существующей практике сварочного производства применяются способы дуговой сварки основанные, преимущественно, на передаче тепла от сварочной дуги к свариваемому изделию через слой жидкого металла сварочной ванны. При этом жидкий металл сварочной ванны, располагающийся под сварочной дугой выступает в качестве теплового демпфера, в котором непроизводительно теряется часть тепловой энергии сварочной дуги. Непроизводительность потерь обусловлена тем, что часть тепла, проходящая через сварочную ванну тратиться на её перегрев, в то время как для образования сварного соединения достаточно довести металл до температуры плавления (а в некоторых случаях дуговой сварки до температуры активного развития процессов диффузии).

Эффективность передачи тепла сварочной дуги свариваемому металлу принято оценивать таким параметром как эффективный коэффициент полезного действия процесса сварки (т.е. технологической сварочной системы). Существующие процессы сварки характеризуются не высокими значениями эффективного к.п.д.. Так, например, эффективный к.п.д. процесса аргонодуговой сварки плавящимся стальным электродом варьируется в пределах от 0,8 до 0,85 (т.е. 80 – 85%).

В настоящее время в РФ разработаны новые способы дуговой сварки, основанные на применении нового принципа пространственно-параметрического управления тепловложением (патент на изобретение № 2401726 от 21.07.2008 г.). Использование этого принципа на практике позволяет гибко, и в широких диапазонах регулировать и оптимизировать параметры процесса ввода тепла сварочной дуги в свариваемое изделие.

Применение принципа управления пространственным положением сварочной дуги на поверхности свариваемых кромок за счёт изменения параметров её собственного магнитного поля, позволяет программируемо отклонять сварочную дугу от оси электрода, при неподвижном активном пятне дуги на сварочном электроде. Этот способ пространственного управления положением дуги позволяет обеспечивать введение большей части тепла сварочной дуги не через жидкий металл сварочной ванны, а непосредственно в свариваемые кромки. При этом значительно повышается эффективность передачи тепла от сварочной дуги к изделию.

Интуитивно похожий принцип пытались использовать в сварке и ранее. Так, например, для получения более глубокого проплавления основного металла дуговую сварку рекомендовали вести при вертикальном расположении оси стыка, а сам процесс вести в направлении снизу-вверх. При этом, под действием силы тяжести, происходило вытеснение жидкого металла из-под электрода в хвостовую часть сварочной ванны, и сварочная дуга воздействовала не на жидкую прослойку под дугой, а непосредственно на свариваемый металл. Известен и обратный подход, когда при сварке тонкого металла, для исключения его прожога сварку рекомендуется вести при вертикальном расположении оси стыка, а сам процесс вести в направлении сверху вниз. При этом жидкий металл сварочной ванны подтекает под дугу и препятствует непосредственному воздействию дуги на свариваемый металл. Глубина проплавления при этом значительно снижается. Однако это были лишь частные технологические рекомендации, не позволяющие построить систему рекомендаций по управлению тепловложением в кромки при сварке.

Одновременно с применением принципа пространственного управления тепловложением, в предлагаемом новом подходе применяется принцип параметрического управления тепловложением. Совместное использование этих двух принципов позволяет во-первых, более эффективно передавать тепло сварочной дуги свариваемому материалу, а во вторых, обеспечивать поддержание требуемой для образования сварного соединения температуры сварочной ванны.

Применение описанного выше принципа пространственно-параметрического управления тепловложением позволяет в зависимости от условий сварки и типа свариваемой конструкции подобрать параметры процесса, при которых могут быть достигнуты оптимальные условия передачи тепла дуги свариваемому металлу.

В отношении применяемых сегодня подходов по обеспечению энергоэффективности технологических процессов сварки, можно утверждать, что они основаны на оптимизации тепловых режимов сварки, при неизменных принципах осуществления сварочного процесса. Такой подход обладает весьма ограниченными возможностями по повышению энергоэффективности процесса сварки.

Для изучения энергоэффективности способа дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом с применением принципа пространственно-параметрического управления тепловложением по заданию Министерства образования и науки РФ в рамках Федеральной научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы" была выполнена поисковая НИР № 16.516.11.6018 по теме «Исследование и разработка энергосберегающих технических и технологических сварочных систем, основанных на применении новых принципов управления тепловложением при сварке».

Проведённые в рамках данной работы теоретические и экспериментальные исследований позволили установить, что применение принципа пространственно-параметрического управления тепловложением при сварке неплавящимся электродом позволяет:

1. Повысить эффективность передачи тепла от сварочной дуги к свариваемым кромкам, выраженное в повышении эффективного коэффициента полезного действия процессов дуговой сварки;

2. Сократить потери тепловой электрической энергии, идущей на перегрев объёма жидкого металла в сварочной ванне;

3. Сократить затраты электроэнергии (энергопотребления) на образование единицы площади сварного соединения не менее чем на 30% по сравнению с существующим сварочным оборудованием и технологиями дуговой сварки;

4. Повысить производительность технологических процессов сварки не менее чем на 30%, по сравнению с существующими технологиями дуговой сварки, при формировании одинаковой площади сечения сварного шва;

5. Снизить себестоимость технологических процессов сварки и готовой сварочной продукции не менее чем на 40%.

В ходе выполнения ранее проводимых в данной области НИР и ОКР, в частности поисковой НИР № 16.516.11.6018, были в основном исследованы технологические процессы аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом. Действительно, исходя из теоретических предпосылок, именно этот способ обеспечивает наилучшую и стабильную управляемость пространственного положения сварочной дуги. В тоже время, как показывает статистика, наибольший объём применения в промышленности находят способы сварки в защитном газе плавящимся металлическим электродом. Объём применения этих способов в общей массе доходит до 73% (характерно для промышленно развитых стран). Однако исследований в области сварки плавящимся электродом по технологии с управляемым тепловложением исследований не проводилось. В рамках выполнения отдельных НИР были предприняты попытки теоретического описания данного процесса, но отсутствие данных о возможности и эффективности применения принципа управления дугой за счёт изменения параметров её собственного магнитного поля, не позволили провести даже теоретических расчётов энергоэффективности процесса.

Исходя, из теоретических предпосылок наличие открытой дуги будет, вызывать её отклонение в сторону от контакта токоподвода, что позволит добиваться эффектов близких к сварке неплавящимся электродом. Однако для уточнения возможности и эффективности применения принципа пространственно-параметрического управления тепловложением при сварке плавящимся металлическим электродом, необходимо провести дополнительные поисковые исследования.

Цель работы: Исследование и разработка новой технологической систем в области дуговой сварки плавящимся электродом в защитном газе, обеспечивающей высокий уровень энергосбережения при распределении и потреблении электроэнергии в производственных целях, за счёт применения новых принципов управления тепловложением при сварке

Учитывая широкую распространённость технологических процессов сварки дуговой сварки плавящимся электродом в защитном газе в промышленности, внедрение энергосберегающих технологий сварки позволит добиться значительного сокращения энергопотребления в масштабах отдельного предприятия, отрасли и страны в целом.

Для решения выше обозначенных проблем и достижения поставленной в работе цели, в ходе выполнения практики необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка методики эксперимента.

2. Подготовка стенда для проведения экспериментальных исследований.

3. Проведение экспериментальных исследований.

4. Обобщение и анализ полученных экспериментальных данных.