ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА СВАРКИ НА СВАРОЧНУЮ ВАННУ В ПРОЦЕССЕ ПРИВАРКИ ШПИЛЕК ВЫТЯГИВАЕМОЙ ДУГОЙ

АННОТАЦИЯ

Исследовано влияния режима сварки на конструктивные элементы сварных соединений, выполненных по технологии «вытягивания дуги». Произведен анализ полученных данных на основе которого выбрана оптимальная форма торца металлического изделия.

Ключевые слова: приварка шпилек, режимы сварки, геометрия сварочной ванны, форма метиза.

1. Введение

Выбор оптимальной формы является ресурсоемким экспериментом, который целесообразно частично заменить компьютерным моделиро­ванием ввиду корреляции размеров сварочной ванны с параметрами режима сварки (временем горения дуги, сварочным током, его родом и полярностью) [5].

Технологии приварки шпилек и болтов Нельсона являются актуальными для судостроения, мостостроения и других областей металлообрабатывающего производства. Ежегодно на строительных площадках сваривается более 50 миллионов шпилек [6]. Наиболее перспективна технология сварки вытягиваемой дугой, выделяющаяся универсальностью по размерам и материалам изделий.

Необходимо отметить, что данная технология уже обеспечивает высокие экономические показатели и широко применяется в мире при производстве металлоконструкций. За рубежом проводятся разработки сварки магнитоуправляемой дугой [2]. Известно новое направление – цифровой синтез сварочных процессов, позволяющее дозировано регулировать тепловложение в сварочную ванну [3, 4].

Процесс приварки изделия к металлу можно разделить на 4 этапа (рис. 1) [1]:

1. Сварочный пистолет с установленной шпилькой касается металла и создается предварительное натяжение в механизме подъёма шпильки, отвечающее за глубину погружения метиза в металл.
2. После нажатия на сварочном пистолете кнопки запуска происходит одновременное включение сварочной цепи и отрыв метиза за счёт соленоида от поверхности металла – зажигается дуга.
3. После определенного периода времени соленоид выстреливает шпильку в образовавшуюся сварочную ванну.
4. Окончание процесса кристаллизацией сварочной ванны.

Рисунок 1. Циклограмма процесса приварки шпилек "Studwelding"

При сварке шпилек неправильные параметры процесса могут вызывать значительные дефекты, такие как отсутствие сплавления, трещины и шлаковые включения (рис. 2). Полученный результат зависит от многих параметров, таких как сварочный ток, время горения дуги и время цикла, предварительное натяжение, ход катушки соленоида, длина дуги, форма и материал керамического кольца, форма торца шпильки.

Рисунок 2. Пример дефектов сварных соединений

В соответствии с ГОСТ Р 55738-2013 угол притупления метиза, необходимый для контроля начала горения дуги равен 22,5 ± 2,5° для всех диаметров (в диапазоне от М5 до М25) полнотелых (без вырезов и отверстий) метизов без специфических элементов (без конструктивного расширения на конце).

Цель эксперимента: исследовать процесс и установить зависи­мость параметров сварки на конструктивные элементы сварных соединений,

2. Оборудование и материалы

В исследовании использовался источник питания фирмы KÖCO ELOTOP 502E вместе с пистолетом для приварки шпилек фирмы KÖCO серии CLASSIC SK14 (рис. 3). Характеристики источника питания приведены в таблице 1.

а)                                          б)

Примечание: а) источник питания ELOTOP 502E, б) пистолет SK14.

Рисунок 3. Внешний вид оборудования

Сварка образцов выполнялась в полностью автоматическом режиме для устранения влияния оператора на результаты эксперимента. Пистолет-соленоид SK14 закреплялся в специальном штативе (рис. 4), исключающем его перекос или случайное изменение механических параметров. Для установления механических параметров (величин предварительного натяжения возвратной пружины соленоида, хода соленоида и начальной длины дуги Lд_нач) на штативе предусмотрен индикатор часового типа ИЧ-10.

Рисунок 4. Схема экспериментальной установки

Таблица 1.

Паспортные характеристики аппарата ELOTOP 502E

Регистрирование сигналов сварочного контура (тока и напряжения дуги) (рис. 5). производилось с использованием usb-осциллографа diamag2.

Рисунок 5. Внешняя вольтамперная характеристика ИП ELOTOP 502E, построенная по опытным данным

Прутки из стали марки ВСт3сп диаметром d=8мм приваривались к планкам толщиной s=6мм из той же марки стали. Сварка выполнялась под слоем флюса марки АН-26С.

3. Методика проведения исследований

Для определения влияния параметров режима сварки на геометрию сварочной ванны выполнялась серия опытов с вариациями времени сварки, напряжения дуги, сварочного тока и различными длинами дуги (согласно таблице 2).

Параметры режима осциллографировались с частотой регистрации 50 кГц, после чего обрабатывались в табличном процессоре MS Excel по методике численного интегрирования. Пример зарегистрированной осциллограммы приведен на рис. 6.

Рисунок 6. Типовая осциллограмма приварки метиза вытягиваемой дугой и текстовый файл с данными

После приварки изготавливались макрошлифы сварных соединений (рис.7), по которым оценивались условный радиус линии сплавления (R, мм), объем и площадь сварочной ванны (S. мм ²).

Рисунок 7. Пример результатов обработки макрошлифов сварных соединений

На основе полученных данных выполнялась оптимизация конструктивных элементов подготовки деталей под сварки согласно схеме приведенной на рис. 8.

Рисунок 8. Оптимизация конструктивных элементов привариваемого металлического изделия

4. Анализ результатов исследования

В таблице 2 приведены опытные данные (столбцы 2, 3, 4) и результаты расчета (столбцы 5, 6, 7).

Таблица 2.

Влияние режима сварки на параметры сварочной ванны

Окончание таблицы 2.

В результате осреднения геометрических параметров ванны для прутков из стали марки Ст3сп диаметром d=8мм определен наиболее оптимальный угол сопряжения образующей притупления плоскости к плоскости этого притупления величина которого составила 18.5, а также величина этого притупления, равная 2 мм.

Выводы:

В результате проведённого исследования установлено, что по предложенной последовательности (методике) возможно выполнить оценку влияния параметров сварки на конструктивные элементы сварного соединения и выбрать оптимальную форму подготовки метизов под сварку.

Список литературы:

1. TFP Corporation. TRU-WELD standard weld studs manual.
2. J. Phys. Stud arc welding in a magnetic field – Investigation of the influences on the arc motion // K Hartz-Behrend et al 2014. Conf. Ser. 550 012003
3. Карпов В.М., Владимиров А.В., Мурзин В.В. Упрощенное программирование сварочных процессов на java-совместимом языке ввода команд XML // Морские интеллектуальные технологии. 2014. № 26. С. 84-91.
4. Карпов В.М., Мурзин В.В., Хабузов В.А., Владимиров А.В. Технология цифрового синтеза импульсной сварки судовых конструкций из алюминиевых сплавов // Морские интеллектуальные технологии. 2014. № 3 (24). С. 94-100.
5. Тепловые процессы при сварке / В.А. Кархин. - 2-е изд, перераб. и доп. - Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2015.
6. An automated shear stud welding system / Alexander H. Slocum, Andrew G. Ziegler – InterMechSyst 2003.