Автореферат (1026093), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Анализ конструкций горелок и сопел показал, что горелкиимеют низкую эффективность в условиях ветра.Для разработки конструкции горелки с конфузорной проточной частьюприменили теорию аэродинамики. Анализ истечения осесимметричных струй исвойств диффузоров, показал, что для достижения максимальнойэффективности газовой защиты сопло должно иметь вид конфузора, внутренняяповерхность которого имеет форму параболической кривой, у которой начало иконец асимптотически стремятся к прямой линии, параллельной продольнойоси конфузора. Форма параболической кривой может быть рассчитана согласнофункциональным зависимостям:f(х) = 1/(1+х2)q, f(х) = 1/(εhх2)q, f(х) = l-х2 q ,где l – длина конфузора, м, х – текущая осевая координата, м, q – произвольныйкоэффициент, который во всех случаях ≥ 1.
При этом, степень сжатия газовойструи на выходе из сопла n = 1,5–4 и определяется отношением площадейвходного и выходного отверстия сопла F1 и F0, где D1, D0 – диаметры тех жеотверстий: n = F1/F0 = 4πD21 / 4πD20 = D12/D02 ,Общая длина сопла L определяется по опытным данным и принимается каксумма длины конфузора l, равная 1,5–3 выходных диаметров сопла D0 , и длинпрямолинейных участков: (0,2–0,4) выходного диаметра D0 (Рис.
9, 11).10На основании изучения теории выравнивания поля скоростей, во входномсечении сопла установили пакет сеток с диаметром D и толщиной h. Пакетсодержит не менее двух стальных сеток с размером ячеи 0,15–0,25 мм (Рис. 10).Рис. 9. Горелка с конфузорным соплом: 1 – корпус,2 – сопло, 3 – гайка, 4 – пакет сеток, 5 – винт, 6 – головка,7 – электрододержатель, 8 – цанга, 9 – электрод,10 – ручка, 11 – трубка газотокоподводаРис. 10. Пакет сеток:1 – корпус, 2 – втулка,3, 4 – кольцо, 5 – сеткаРазработанная конструкция сопла имеет улучшенные аэродинамическиехарактеристики, обеспечивающие повышение скорости истечения защитнойгазовой струи и необходимую степень сжатия газовой струи на выходе из сопла,что увеличивает ее стабильность и жесткость в условиях ветра (Рис.
11).Рис. 11. Конструкция проточной части, визуализация прототипа сопла и вид сварочнойгорелки с конфузорным сопломДля автоматического управления процессом сварки в условиях ветраразработали и запатентовали схему устройства (Патент РФ № 2465997). (Рис.12).1 – электрод, 2 – конфузорное сопло,3 – пакет сеток, 4 – датчик скоростиветра, 5, 6, 10, 11 – интегрирующиеусилители, 7 – запоминающееустройство, 8 – датчик температуры,9 – датчик тока, 12 – задатчиквеличины вылета электрода, 13 –сумматор, 14 – автоматическийрегулятор скорости истечения газа,15, 16 – логические элементы, 17 –задатчик максимальной величиныскорости ветраРис.
12. Функциональная схема автоматической системы управления11Согласно функциональной схеме собрали макет устройства, позволяющиймгновенно управлять расходом защитного газа в зависимости от скорости ветрас учетом его усилений (Рис. 13).Рис. 13. Макет автоматической системы управления потоком защитного газа: 1 – баллон сгазом; 2 – редуктор; 3 – электронный регулятор-расходомер; 4 – горелка с конфузорнымсоплом; 5 – контроллер Arduino; 6 – источник питания; 7 – ультразвуковой анемометр;8 – датчик тока на эффекте ХоллаВ четвертой главе представлены результаты исследования сварочнотехнологических свойств дуги и свойств сварных соединений, выполненных вусловиях ветра. Расход газа оставляли постоянным, скорость ветра увеличивалиот опыта к опыту.
Видеосъемка при аргонодуговой сварке показала, что вусловиях ветра применение новой горелки позволило стабилизировать формудуги и уменьшить ее отклонения от продольной оси в 2–3 раза (Рис. 14).Рис. 14. Видеокадры сварочной дуги при аргонодуговой сварке промышленной (вверху) иразработанной (внизу) горелкой. Слева-направо: скорость ветра 2,5; 2,8; 3,5; 4,8; 5,8; 6,3 м/сОсциллографирование сварочных токов и напряжений производили примеханизированной сварке образцов толщиной 10 мм из стали 09Г2С в средеуглекислого газа проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм при скорости сваркиVсв = 2,8 мм/с, на лабораторном стенде с применением промышленной иразработанной горелки при воздействии ветра (Рис. 15).Применение новой горелки позволило уменьшить отклонения сварочноготока и напряжения от среднеарифметической величины по сравнению спромышленной горелкой до ±50 А и ±4,5 В, соответственно в 2 и 1,4 раза.
Приэтом частота и длительность коротких замыканий уменьшилась в 1,7–2,1 раза,что свидетельствует об улучшении стабильности горения дуги в условияхветра.12Рис. 15. Осциллограммы сварочного напряжения (вверху) и тока (внизу): слева – сваркапромышленной горелкой при скорости ветра 1 м/с; справа – сварка новой горелкой прискорости ветра 3 м/с.
Длительность записи 0,4 сДляисследованиясвойствсварныхсоединенийвыполнялиавтоматическую сварку контрольных сварных соединений (КСС) трубдиаметром 1420 мм с толщиной стенки 21,3 мм из стали класса прочности К60при скорости ветра 3 м/с.
Результаты испытаний образцов КСС показали, чтопри сварке с конфузорным соплом (КС) по сравнению с цилиндрическимсоплом (ЦС) средняя величина ударной вязкости возрастает по шву на 8,3 %, погранице шва на 49,8 %; средняя величина твердости HV10 по сварному швуувеличивается на 37,8 %, в ЗТВ уменьшается на 5,1 %. Анализ химическогосостава швов КСС труб показал, что при использовании новой горелки средниезначения углерода, кремния, марганца, никеля в шве увеличилисьсоответственно на 53,3 %; 10,5 %; 13,9 %, 1,9 %, что свидетельствует обулучшении газовой защиты сварочной ванны (Рис.
16).Рис. 16. Содержание в шве КСС элементов С, Si, Mn, Ni. Три точки измерения.КСС № 1: ЦС (слева), КСС № 2: КС (справа)Результаты газового анализа шва образцов КСС, выполненных в условияхветра показали, что среднее интегральное содержание кислорода [O] при сваркегорелкой с КС уменьшается в корне шва (КШ) на 20,7 % и на 30,8 % ввыпуклости шва (ВШ).
Среднее интегральное содержание азота [N] при сваркегорелкой с КС уменьшается в корне шва (КШ) на 22,9 % и на 32,8 % ввыпуклости шва (ВШ) (Рис. 17).Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об улучшениигазовой защиты сварочной ванны при воздействии ветра с использованиемгорелки с конфузорным соплом.13Рис. 17. Содержание в швах КСС кислорода и азота. По три образца: КШ – корень шва;ВШ – выпуклость шва: слева – ЦС, справа – КСОбщие выводы и результаты1. Установлено, что при строительстве и монтаже объектов с применениемдуговой сварки в условиях ветра происходит деформация защитной газовойструи, что приводит к возникновению внутренних и внешних дефектов,ухудшению механических свойств и химического состава наплавленногометалла, что снижает качество, надежность и работоспособность ответственныхсварных конструкций.2.
Установлено, что эффективность газовой защиты при сварке на ветруопределяется стабильностью, формой и размерами ядра защитной газовойструи, которые зависят от скорости и характера истечения, расхода газа,траектории движения по соплу и равномерности поля скоростей струи вусловиях воздействия ветра.3. На основе математического моделирования защитной струи в программеANSYS и экспериментального моделирования на испытательном стендеустановлено распределение поля скоростей движения газовой струи и расходзащитного газа, в зависимости от формы сопла, его расстояния до свариваемойповерхности и начальной скорости газовой струи на входе в сопло.4.
Экспериментально показано, что при различной частоте и скоростиветра с резкими усилениями, эффективность газовой защиты и стабильностьсварочной дуги повышается при увеличении скорости истечения защитнойструи из конфузорного сопла.5. На основе расчетно-экспериментальных данных подобраны режимысварки в условиях ветра в зависимости от диаметра сопла, от величиныотношения скоростей газовой струи и ветра, а также от расстояния междусоплом и свариваемой поверхностью.6.
На основе анализа технических решений и расчетно-экспериментальныхданных, разработана и внедрена в производство конструкция сварочнойгорелки, состоящая из конфузорного сопла с внутренней поверхностью в видедвухасимптотной параболической кривой и пакетом сеток, которая позволилаувеличить стабильность и размеры ядра газовой струи при высокой скоростиистечения, уменьшить неравномерность поля скоростей и турбулентностьгазовой струи на выходе из сопла в условиях ветра.7. Разработан универсальный стенд с многорежимной аэродинамическойтрубой и автоматической системой управления для моделирования процессадуговой сварки в условиях воздействия ветра с резкими усилениями.148.
Разработан и изготовлен 3D-принтер для аддитивного выращиванияузлов сварочной горелки, состоящий из электромеханического, электронного ипрограммного модулей.9. Разработана и запатентована система автоматического управленияпроцессом сварки, которая позволяет управлять подачей и расходом защитногогаза в зависимости от режима сварки, скорости и частоты усиления ветра.10. Проведены успешные производственные испытания технологии иоборудования на базе ОАО «Ленгазспецстрой» в рамках НИОКР по заказу ООО«ГазпромВНИИГАЗ», путем автоматической сварки магистральных трубгазопроводов диаметром 1420 мм с толщиной стенки 21,3 мм из стали скатегорией прочности К60 в условиях ветра со скоростью 3 м/с.11. На основе проведенных комплексных исследований показано, чтопоказатели прочности, пластичности и геометрические характеристики сварныхсоединений, выполненных по новой технологии, удовлетворяют требованиямСТОГазпром2–2.2–083–2007,СТОГазпром2–2.2–136–2007.Экспериментально показано, что новая технология и оборудование позволяютулучшить стабильность горения сварочной дуги, уменьшить отклоненияпараметров режима сварки при воздействии ветра.Таким образом, применение разработанного оборудования и технологиидля дуговой сварки в условиях ветра позволило повысить эффективностьгазовой защиты и качество сварных соединений, что свидетельствует одостижении цели работы.Основные результаты работы представлены в публикациях:Статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ:1.
Федоренко Г.А., Иванова И.В., Синяков К.А. Совершенствованиетехнологического процесса сварки в защитных газах на ветру // Сварочноепроизводство. 2010. № 1. С. 6–13.2. Fedorenko G.A., Ivanova I.V., Sinyakov K.A. Improving the efficiency ofwelding in shielding gases in windy conditions // Welding International. 2011.
V. 25,№ 6. Р. 484–490.3. Паршин С.Г., Иванова И.В., Кобецкой Н.Г. Исследованиеэффективности газовой защиты при дуговой сварке в условиях воздействиявоздушных потоков // Сварка и диагностика. 2015. № 3. С. 31–34.4.Паршин С.Г., Иванова И.В. Исследование сварочной дуги в защитныхгазах в условиях воздействия воздушных потоков // Сварка и диагностика.2016. № 2. С.
46–48.5. Паршин С.Г., Иванова И.В., Петухов Е.П. Математическоемоделирование параметров защитной газовой струи при сварке в условияхветра // Сварка и диагностика. 2016. № 3. С. 21–25.Публикации в изданиях РИНЦ:6. Иванова И.В. Горелка для сварки в защитных газах – инструментэффективности газовой защиты // Инструмент и технологии. 2010. № 32–33. С.32–38.7. Иванова И.В., Кобецкой Н.Г., Калинина В.И., Паршин С.Г.Исследование сварочной дуги в защитных газах в условиях сносящих15воздушных потоков // Современные материалы, техника и технологии. 2015.№ 1. С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
