Диссертация (Развитие элементов теории формирования шва и технологических основ многопроходной сварки плавящимся электродом по узкому зазору корпусных конструкций специальной техники из высокопрочных сталей)

Федеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Уральский федеральный университетимени первого Президента РоссииБ.Н.Ельцина»УДК 621.791:004.942На правах рукописиШОЛОХОВ Михаил АлександровичРАЗВИТИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ ШВАИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ МНОГОПРОХОДНОЙСВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ ПО УЗКОМУЗАЗОРУ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙТЕХНИКИ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙСпециальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологииДиссертацияна соискание ученой степенидоктора технических наукЕкатеринбург - 20162ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ10Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИТРУДА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СОЕДИНЕНИЙ ПРИСВАРКЕКОРПУСНЫХКОНСТРУКЦИЙСПЕЦИАЛЬНОЙТЕХНИКИ161.1.

Современное состояние сварочного производстваконструкций специальной техники из высокопрочных сталей161.2. Обеспечение качества сварных соединений извысокопрочных сталей при сварке корпусных конструкцийспециальной техники331.2.1. Классификация групп дефектов сварныхсоединений корпусных конструкций специальнойтехники331.2.2. Наружные дефекты сварных соединений накорпусных конструкциях341.2.3. Дефекты формы и размеров сварных швов накорпусных конструкциях361.2.4.

Внутренние дефекты сварных соединений накорпусных конструкциях381.2.5. Требования к механическим свойствам соединенийкорпусных конструкций401.3. Проблемы обеспечения качества сварных соединенийпри изготовлении корпусных конструкций специальнойтехники421.3.1. Холодные и горячие трещины431.3.2. Неметаллические включения и поры461.3.3. Дефекты формы шва на корпусных конструкциях4831.3.4. Пути минимизации причин возникновения52дефектов при сварке корпусных конструкций1.4.Методыисредстваповышенияэффективностипроцессов сварки при изготовлении корпусных конструкций561.5. Методы и средства исследования сварочных процессов.Описание физико-математических моделей сварочныхпроцессов.711.5.1 Методы физико-математического моделированиясварочных процессов711.5.2.

Физико-математические модели явлений всварочной дуге751.5.3. Физико-математические модели процессов нагреваи плавления электрода при переносе металла всварочную ванну761.5.4. Физико-математические модели тепловыхпроцессов при нагреве свариваемых кромок801.5.5. Физико-математические модели формированияповерхностей сварочной ванны и шва821.5.6. Физико-математические модели явлений ипроцессов в жидком металле сварочной ванны841.5.7. Физико-математические модели процессов втвёрдом металле шва и зоны термического влияния861.5.8. Физико-математические модели напряжений идеформаций в сварных конструкциях881.6.

Цель и задачи работы93Выводы по главе 194Глава 2. СОЗДАНИЕ ОБОБЩЕННОЙ ФИЗИКОМАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА МНОГОДУГОВОЙСВАРКИ ПО УЗКОМУ ЗАЗОРУ9542.1. Концепция обобщенной физико-математической моделидля анализа и оптимизации процесса двухдуговоймногопроходной сварки по узкому зазору952.2. Модель формирования многопроходного шва придвухдуговой сварке по узкому зазору2.2.1. Пространство моделирования и система координат1011012.2.2. Подмодель горения дуги в зауженной разделкекромок1032.2.3.

Подмодель формирования сварочной ванны1072.2.4. Структура модели формирования шва придвухдуговой многопроходной сварке по узкомузазору1152.2.5. Определение химического состава металла шва1172.2.6. Определение характеристик термического цикласварки1182.3. Модель формирования прочности шва и зонытермического влияния1192.3.1. Методика определения фазового состава металлашва и зоны термического влияния1202.3.2. Оценка механических свойств металла шва и зонытермического влияния1242.4.

Модель напряжённого состояния металла примногодуговой сварке по узкому зазору1262.5. Компьютерная реализация обобщенной физикоматематической модели для анализа и оптимизацииформирования шва при сварке по узкому зазору2.5.1. Методы численного решения1301302.5.2. Алгоритм численного моделированияформирования многопроходного шваВыводы по главе 21341375Глава 3. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ ФИЗИКОМАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВУХДУГОВОЙСВАРКИ ПО УЗКОМУ ЗАЗОРУ ОПЫТНЫМ ДАННЫМ1393.1. Структура погрешности и методика оценки адекватностифизико-математической модели реальному процессу сварки1393.2. Результаты тестовых экспериментов и моделированияформирования шва при однодуговой сварке по узкому зазору1453.3. Оценка адекватности моделированияэкспериментальным данным1563.4.

Проверка физико-математической модели процессадвухдуговой многопроходной сварки по узкому зазору1613.5. Проверка адекватности физико-математической моделипри многопроходной сварке по узкому зазору1653.5.1. Экспериментальные данные3.5.2.Анализопытных165данныхисравнениесрезультатом моделирования3.5.3.Уточнениеформирования169физико-математическойсварногосоединениямоделипримногопроходной сварке по узкому зазору1713.6.

Проверка расчета механических свойств металла шва изоны термического влияния175Выводы по главе 3179Глава4.ИССЛЕДОВАНИЕВЛИЯНИЯПАРАМЕТРОВМНОГОПРОХОДНОЙ ДВУХДУГОВОЙ СВАРКИ ПО УЗКОМУЗАЗОРУКОРПУСНЫХКОНСТРУКЦИЙНАЗНАЧЕНИЯПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ШВА4.1. Задачи и методика исследований1801804.2. Анализ устойчивости дуги при сварке по узкому зазоруплавящимся электродом18264.3.Разработкаметодовминимизациидефектовпримногопроходной двухдуговой сварке по узкому зазору4.3.1.Методикаанализапричин189возникновениядефектов при формировании швов1914.3.2. Обобщение причин возникновения дефектовформирования швов при сварке по узкому зазору4.3.3.Результатыпо минимизации192дефектов придвухдуговой сварке по узкому зазору1934.4.

Влияние параметров многопроходной дуговой сварки поузкому зазору на показатели качества формирования сварныхсоединений1984.4.1. Влияние скорости подачи электродной проволокииеедиаметранаформообразованиешвапримногопроходной сварке1984.4.2. Влияние скорости сварки на формообразованиешва при многопроходной сварке4.4.3.Влияниенапряжения203идлиныдугинаформообразование шва при многопроходной сварке поузкому зазору2054.4.4.

Анализ условий слияния сварочных ванн придвухдуговой сварке2064.4.5. Исследование влияния расстояния между дугамина формирование шва2104.4.6. Влияние параметров двухдуговой сварки намеханическиесвойстваметаллашваизонытермического влияния2124.5. Исследование напряженного состояния шва и зонытермического влияния при сварке по узкому зазору высокопрочныхсталей2224.5.1. Решение тепловой задачи22374.5.2.

Решение деформационной задачи227Выводы по главе 4245Глава 5. УСЛОВИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНО ВЫСОКОГОКАЧЕСТВАСВАРНЫХМНОГОПРОХОДНОЙСВАРКЕСОЕДИНЕНИЙПОУЗКОМУПРИЗАЗОРУКОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ5.1.Методикарасчетапараметров247многопроходнойдвухдуговой сварки по узкому зазору, обеспечивающих требуемыеслужебные свойства сварных соединений2475.1.1.

Учет условий формирования шва при сварке поузкому зазору в методике расчета параметров2475.1.2. Расчет параметров дуги при сварке по узкомузазору2515.1.3. Учет границ металла шва в методике расчетапараметров2545.1.4. Расчет параметров плавления электроднойпроволоки2545.1.5. Методика расчета режимов двухдуговой5.2.многопроходной сварки2565.1.6.

Особенности расчета параметров второй дуги2585.1.7. Последовательность и пример расчета259Основные возмущения при реализации многопроходнойсварки по узкому зазору и меры по повышениюэффективности работы сварочного оборудования2635.2.1. Взаимовлияние сварочного оборудования иэлектрической сети2635.2.2. Особенности параллельной работы сварочныхаппаратов и минимизация их взаимного влияния припроведении сварочных работ27185.2.3.

Влияние возмущающих воздействий на работумеханизмов подачи сварочной проволоки2735.3. Оценка вероятности возникновения дефектовформирования шва и расчет допусков на параметры процессадуговой сварки по узкому зазору5.4. Влияние277отклоненийхимическогосостававысокопрочной стали и электродной проволоки на механическиесвойства сварных соединений2885.5.

Выбор состава электродной проволоки для обеспеченияслужебных свойств соединений при сварке высокопрочных сталейпо узкому зазору2985.6. Технологические требования к процессам сварки поузкому зазору и оборудованию для обеспечения стабильновысокого качества сварных соединений корпусных конструкций3085.6.1. Технологические требования к процессам ирежимам сварки3085.6.2. Оптимальное расстояние между дугами придвухдуговой сварке высокопрочных сталей3115.6.3. Технологические требования к сварочномуоборудованию313Выводы по главе 5315Глава6.ПРАКТИЧЕСКАЯРЕАЛИЗАЦИЯПРОЦЕССОВДВУХДУГОВОЙ МНОГОПРОХОДНОЙ СВАРКИ ПО УЗКОМУЗАЗОРУКОРПУСНЫХКОНСТРУКЦИЙСПЕЦИАЛЬНОЙТЕХНИКИ3176.1.

Современные технологии и оборудование для сваркикорпусных конструкций специальной техники6.1.1. Рациональные формы зауженных разделок3173176.1.2. Технология автоматической двухдуговоймногопроходной сварки по узкому зазору32196.1.3. Технология механизированной однодуговоймногопроходной сварки по узкому зазору3236.2. Оборудование для реализации процессов двухдуговойавтоматической и однодуговой механизированной сварки поузкому зазору3286.3. Система коррекции положения электрода при сварке поузкому зазору с использованием дуги в качестве датчика6.4.

Квалификационныеиспытаниятехнологий340иоборудования для двухдуговой сварки по узкому зазору корпусныхконструкций3466.5. Промышленная апробация разработанной технологиидвухдуговой сварки по узкому зазору корпусных конструкцийспециальной техникиВыводы по главе 6350354ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ356СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ359ПРИЛОЖЕНИЯ39010ВВЕДЕНИЕНа настоящий момент актуальной задачей является оснащениеРоссийской армии техникой нового поколения, требования к техническимхарактеристикам и эксплуатационной надежности которой предопределяютприменениеспециальныхвысокопрочныхсталей.Отличительнойособенностью подобной техники является наличие брони, обеспечивающейзащиту людей, вооружения и функциональных устройств от поражающихсредств. Технические характеристики специальной техники обеспечивает ееоснова - корпусные конструкции, при их изготовлении одной из основныхопераций является сварка, занимающая до 50% от всего объема работ.Развитие методов сварки корпусов из высокопрочной стали протекалопоследовательно заменой ручной сварки штучными электродами намеханизированную сварку под флюсом.

Однако она впоследствии невыдержалаконкуренциисболееманевреннойавтоматическойимеханизированной сваркой в защитных газах. Свой вклад в разработкунаучных основ сварки корпусных конструкций и решение вопросовсерийного изготовления специальной техники из высокопрочных сталей ивнесли Е.О. Патон, Б.Е. Патон, В.А. Малышев, В.И. Дятлов, Э.Л. Макаров,А.М. Макара, В.Ф. Грабин, В.Ф. Мусияченко, Ю.Н.