Диссертация (Разработка технологии и оборудования для дуговой сварки в среде защитного газа в условиях воздействия ветра)

1САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТПЕТРА ВЕЛИКОГОНа правах рукописиИВАНОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНАУДК 691.791РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯДУГОВОЙ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНОГО ГАЗАВ УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЕТРАСпециальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологииДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,доцент С.Г. ПАРШИНСанкт-Петербург–20162ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ4Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОЙ СВАРКИ В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕНА ОТКРЫТЫХ МОНТАЖНЫХ ПЛОЩАДКАХ1.1.10Метеорологические условия сварки на открытых монтажныхплощадках101.2.Анализ дефектов при дуговой сварке в условиях ветра171.3.Анализ способов улучшения эффективности газовой защиты191.4.Цель и задачи работы33Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИСТЕЧЕНИЯЗАЩИТНЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ И ХАРАКТЕРИСТИКЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ СВАРКЕ ВУСЛОВИЯХ ВЕТРА342.1.Строение и свойства защитной газовой струи342.2.Разработка методики исследований эффективности газовойзащиты в условиях ветра2.3.Разработка универсального стенда для моделирования сваркив условиях ветра2.4.2.6.52Исследование влияния ветра на эффективность газовойзащиты2.5.4459Математическое моделирование параметров защитных газовструи при сварке в условиях ветра77Выводы главы 291Глава 3.

РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИВ УСЛОВИЯХ ВЕТРА933.1.Анализ конструкций сварочных горелок для сварки на ветру933.2.Разработка конструкции сварочной горелки для дуговойсварки в условиях ветра10633.3.Изготовление сопла методом 3D-печати3.4.Разработка системы управления газовой защитой и режимомдуговой сварки в условиях ветра3.5.3.6.122125Разработка комплекта оборудования для сварки в условияхветра129Выводы главы 3132Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХСВОЙСТВ ДУГИ И СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙВ УСЛОВИЯХ ВЕТРА1344.1.Исследование сварочных токов и напряжений1344.2.Исследование свойств сварных соединений пластин присварке в лабораторных условиях4.3.141Исследование сварных соединений труб при сварке впроизводственных условиях148Выводы главы 4159Общие выводы по работе161Литература1644.4.4ВВЕДЕНИЕВ судостроении, судоремонте, при строительстве зданий и сооружений,мостов, нефтегазопроводов и в других отраслях народного хозяйствазначительный объем сварочных работ выполняется на открытых монтажныхплощадках.

Ветер нарушает газовую защиту сварочной ванны, что вызываетдефекты, снижает производительность работ и качество сварных соединений.Разработка технологий сварки на ветру началась в конце 60-х годовпрошлого столетия в России, США, Японии, Германии [7, 15, 49, 67, 103].Однако до сих пор получение качественных сварных соединений на ветруявляется актуальным направлением науки и техники. Внедрение разработоктехнологий сварки на ветру в период 60–80-х годов XX века ограничивалисьуровнем развития приборостроения для автоматического регулированиярасхода газа и по измерению скорости ветра.Строительство надежных ветрозащитных сооружений для сварки швовнезначительной протяженности при прокладке трубных магистралей в лесах,долинах, горах, при строительстве или ремонте крупных мостов или другихметаллическихсооруженийобходитсяоченьдорого,крометогоэффективность применения этих сооружений низка.Особенно востребована технология сварки на ветру гражданским ивоенно-морскимфлотомпривосстановленииработоспособностинагруженных конструкций корпусов судов, при аварийных ситуациях вдальнем плавании в море или порту, где нет условий для выполненияремонта.Ранние исследования показали, что для устранения насыщения сварногошва газами атмосферного воздуха следует применять дуговую сварку в средезащитных газах.

Сейчас ее объем в мировом объеме сварочного производствасоставляет более 45 %. В результате применения защитных газов илокальной защиты места соединения достигается высокое качество сварных5соединений при дуговой сварке. Однако, для сварки в условиях ветра,оборудование для дуговой сварки нуждается в серьезной доработке.Существенным недостатком дуговой сварки в среде защитных газовявляется нарушение защиты сварочной ванны при наличии поперечныхвоздушныхпотоков.Дляобеспечениявысокогокачествасварныхсоединений необходима защита расплавленного металла от контакта сокружающей атмосферой. Поскольку эта защита осуществляется потокомзащитного газа, то ее надежность может определяться характеристикамиистекающего из сопла газового потока и устойчивостью потока к действиювозмущающих факторов, к которым относятся: естественное перемещениемасс воздуха, тепломассоперенос в сварочной дуге, влияние геометрииэлектродов и др.

[52].Влияние условий на технологический процесс дуговой сварки в средезащитных газов изложено в трудах Г.А. Николаева, В.Л. Руссо, В.В.Ардентова, Г.А. Федоренко и др. [6–9, 59, 83–93]. Однако для широкоговнедрения процесса дуговой сварки на ветру необходимо было решитькомплекс задач по разработке горелок, приборов для измерения скоростиветра и средств технологической оснастки.В последнее время в Российской Федерации возрастает объем сварочномонтажных работ с применением дуговой сварки в защитных газах, в томчислевозводятвысотныездания,конструкции,мосты,стадионы,магистральные нефтегазопроводы. При этом в трудах ученых К.К. Хренова,Г.А. Николаева, Н.Н.

Рыкалина, А.И. Акулова, Г.Г. Чернышова, Н.М.Новожилова [5, 58, 72, 74, 82] отмечается важность защиты зоны сварки дляповышения качества и надежности сварных конструкций. Потребность всоздании технологий сварки на ветру в условиях судоремонта, ремонтамагистральных трубопроводов и крупных сооружений, выполненных изсталей, алюминиевых и титановых сплавов, существенно увеличилась.Поэтому разработка специализированного оборудования для сварки в6условиях ветра и повышение эффективности газовой защиты позволитулучшить качество и производительность процесса сварки ответственныхконструкций в ряде отраслей промышленности, что свидетельствует обактуальности данной работы.Представляемая работа посвящена повышению эффективности газовойзащиты и качества сварных соединений при дуговой сварке в условияхвоздействия ветра путем разработки специализированного оборудования итехнологии с применением расчетно-экспериментальных и теоретическихметодов исследования: создание физической модели сварочного процесса вусловиях ветра, измерение скорости ветра и газов, изучение размеров зоныгазовой защиты, регистрация полей концентрации газов, видеосъемкасварочной дуги, осциллографирование сварочных токов и напряжений,механические испытания сварных соединений, металлографический анализмикро- и макроструктуры, измерения микротвердости сварных шлифов,химический и газовый анализ сварных швов, планирование эксперимента истатистическаяобработкаэкспериментальныхданных,компьютерноемоделирование истечения струи защитного газа из сопла сварочной горелкив программе ANSYS Fluent с использованием метода конечных элементов,производственные испытания в условиях ветра.Положения, выносимые на защиту:−разработанные математические модели истечения защитных газовыхструй в условиях ветра;−результаты расчетно-экспериментальных исследований параметроврежима сварки в условиях ветра;−оборудование и технология дуговой сварки в условиях ветра;−результаты исследований свойств сварочной дуги и сварныхсоединений в условиях ветра.7Научная новизна работы:1.НаосновемоделированиявсредеANSYSобнаруженаиэкспериментально подтверждена возможность управления эффективностьюгазовой защиты в условиях ветра за счет стабилизации и увеличенияразмеров ядра защитной газовой струи при высоких скоростях истечения изконфузорного сопла сварочной горелки, внутренняя поверхность которойимеет двухасимптотную параболическую форму.2.Установленырасчетно-экспериментальныезависимостимеждуразмерами ядра защитной струи, расходом защитного газа, скоростью ветра,режимамисваркиирасстояниемдосвариваемойповерхности,обеспечивающие эффективную газовую защиту.3.Расчетно-экспериментальнымметодомобнаруженмеханизмуменьшения неоднородности поля скоростей, вращения и турбулентностизащитного газового потока на выходе из сопла сварочной горелки привысоких скоростях истечения защитного газа в условиях сварки привоздействии ветра за счет изменения траектории движения и уменьшенияэнергии потока защитного газа в сопле газовой горелки.Практическая ценность результатов:1.

Разработан универсальный стенд с многорежимной аэродинамическойтрубой и автоматическая система управления стендом для моделированияпроцесса дуговой сварки в условиях воздействия ветра с резкимиусилениями.2. Разработана и внедрена в производство конструкция сварочнойгорелки с конфузорным соплом, внутренняя поверхность которого имеетдвухасимптотную параболическую форму, с устанавливаемыми передвходным отверстием сопла пакетом сеток.3. Разработана и запатентована система автоматического управлениясварочным процессом при дуговой сварке в условиях ветра, позволяющаяувеличить эффективность газовой защиты, за счет регулирования расхода8защитного газа в зависимости от скорости ветра, частоты его усилений,вылета электрода и силы сварочного тока.4.

Установлены оптимальные параметры режимов дуговой сварки всреде защитных газов с применением сварочной горелки с конфузорнымсоплом,которыеобеспечиливысокуюстабильностьгорениядуги,эффективную газовую защиту при различных скоростях и частотевоздействия ветра.5.Установлено,чтоприменениеновойсварочнойгорелкисконфузорным соплом в условиях ветра позволило уменьшить отклонениясварочного тока и напряжения, улучшить механические свойства ихимический состав сварных швов из стали повышенной прочности.Апробация работыОсновные и отдельные положения работы в процессе ее выполнениядокладывались и обсуждались на: научно-технических семинарах кафедрытеории и технологии сварки материалов СПбПУ (С.-Петербург, 2014, 2015,2016 г.); научно-технических семинарах кафедры технологий сварки идиагностики МГТУ (Москва, 2015, 2016 г.); всероссийских научнопрактических семинарах «Металлургия сварки и сварочные материалы(Петровские чтения)» (Зеленогорск, 2015 г., С.-Петербург, 2016 г.);молодежныхфорумахврамкахмеждународнойвыставкиСВАРКА/WELDING (С.-Петербург, 2012, 2016 г.); международных научнотехнических конференциях (Курск, 2014, 2015, 2016 г.); VI Российскойнаучно-практической конференции «Актуальные вопросы нефтегазовогостроительства» (Москва, 2015 г.); научно-техническом семинаре кафедрысварки, обработки материалов давлением и родственных процессов ТГУ(Тольятти, 2015 г.); молодежных научно-практических конференциях врамках Недели Науки СПбПУ (С.-Петербург, 2013, 2014, 2015 г.); научнотехнической секции «Технологии судостроения» Российского Научнотехнического Общества судостроителей им.