О.И. Петриенко, канд. техн. наук

Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, г. Киев, Украина

НОМОГРАММЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЛАСТЕЙ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТАЛЕЙ
В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Разработанные номограммы предназначены для выбора сварочного тока при механизированной дуговой сварке сталей в защитных газах длинной дугой. Они позволяют выбрать оптимальное значение тока при заданном диаметре электродной проволоки, обеспечивающим в рекомендуемых диапазонах значения температур предварительного подогрева проволоки и капли, и в результате определять с большой точностью значения скорости подачи и длины вылета, при которых обеспечиваются эти температуры.

Ключевые слова: номограммы, механизированная сварка, защитные газы, режимы сварки, методика расчета.

Розроблені номограми призначені для вибору зварювального струму при механізованому дуговому зварюванні сталей у захисних газах довгою дугою. Вони дозволяють вибрати оптимальне значення струму при заданому діаметрі електродного дроту, що забезпечує в рекомендованих діапазонах значення температур попереднього підігріву дроту і краплі, і в результаті визначати з великою точністю значення швидкості подачі і довжини вильоту, при яких забезпечуються ці температури.

Ключові слова: номограми, механізована зварювання, захисні гази, режими зварювання, методика розрахунку.

The nomograms are used to select the welding current for MIG/MAG welding of steels with a long arc. They allow to choose the optimal value of the current for a given diameter of the electrode wire, providing the recommended temperature range of pre-heating the wire and drop, and as a result to determine with precision values feed rate and the the electrode extension length, which will ensure these temperatures.

Key words: nomograms, MIG/MAG welding, welding modes, calculation methods.

Введение. Режимы механизированной дуговой сварки сталей в среде защитных газов регламентированы во многих литературных источниках. Одним из широко используемых методов их определения является графический метод в виде номограмм, особенно когда применение других вычислительных средств затруднено [1].

Анализ исследований и публикаций. Существуют номограммы, позволяющие выбрать режимы сварки, не производя полного расчета параметров процесса [1]. Недостатком такого типа номограмм является то, что они предназначены для конкретного режима сварки (например, при заданных значениях диметра d и длины вылета электрода l_в), а для других значений d и l_в номограмму нужно рассчитывать повторно. Такие номограммы не являются универсальными при выборе режимов сварки, и поэтому они не находят широкого применения.

Cуществуют более универсальные номограммы [2], позволяющие выбрать помимо d и l_в, такие параметры, как ток сварки I и плотность тока j. В основе создания такой номограммы лежит разработанная ранее физико-математическая модель расчета в виде системы дифференциальных уравнений тепловых процессов на вылете электрода при дуговой сварке сталей в защитных газах без коротких замыканий [2-4]. Модель позволяет решать уравнения теплового баланса для вылета электрода в общем виде, когда все теплофизические коэффициенты являются нелинейными функциями от температуры. Она позволяет также рассчитать текущее значение температуры Т по всей длине вылета электрода l_в от мундштука до капли на торце электрода, определить длину зоны вылета электрода l₁ (примыкающую к мундштуку и нагреваемую электрическим током) и длину Dl (примыкающую к капле, на которой происходит нагрев под действием электрического тока и тепла, поступающего за счет теплопроводности от капли). Тепловые процессы на этих участках вылета электрода описываются разными уравнениями [4]. Точка сопряжения решений находится на расстоянии Dl от границы электрода с каплей, и характеризуется температурой «стыка» Т₁ двух участков (температурой предварительного подогрева электрода) и соответствующей этой температуре длиной части вылета электрода, равной l₁. При расчетах для выбранного диаметра проволоки и используемого защитного газа необходимо задаваться током I, температурами T₁, T_кап и в результате определять температуру проволоки на выходе из мундштука Т₀, и необходимые значения скорости подачи v_п, длины вылета электрода l_в и другие параметры, при которых обеспечиваются эти температуры и выбранная величина сварочного тока. Такой подход выгодно отличается от общепринятого, при котором задаются значениями d, I, l_в и v_п, и затем определяют температуры T₁ и T_кап.

Однако недостатком такого подхода к решению задачи является то, что в результате расчетов температуры T₁ и T_кап могут выйти за допустимые значения, что может привести к неудовлетворительному качеству сварки или к срыву сварочного процесса, а также к возникновению автоколебаний. Поэтому рекомендуется принимать температуру Т₁ = const в области допустимых значений 670 K £ Т₁ £ 1040 K для устранения возможности возникновений автоколебаний в системе источник питания – дуга [2, 5] и Т_кап = const, исходя из требований технологии данного сварочного процесса. Если при расчетах задаваться температурой Т₁ точки «стыка», то это и будет тем необходимым дополнительным условием, которое позволяет решить задачу теплового баланса. При этом начальная температура проволоки Т₀ не должна превышать выбранное значение Т₁, иначе реализовать процесс сварки будет невозможно. Обычно Т₁ выбирается ниже температуры точки Кюри.

Изложение основного материала. Для того, чтобы определить, в каких именно областях на номограммах из работы [2] можно выбирать нужные значения тока сварки и плотности тока для соблюдения условия, при котором T₀ < Т₁, необходимо рассчитать значение T₀ при заданных Т_кап и d.

В работе [6] показано, что значение температуры Т₀ можно рассчитать по формуле:

, (1)

где root – функция математического пакета MathCAD [7], позволяющая определить корень уравнения v, при некотором ее стартовом значении; g – плотность металла (стали), кг/м³; j – плотность тока, А/м²; Т_о.ср – температура окружающей среды, К; С_р – удельная теплоемкость стали, Дж/(кг×К); U_кон – контактное падение напряжения в мундштуке, определяемое по аппроксимационной формуле работы [8]:

, (2)

где I_баз, d_баз, v_баз – базовые значения сварочного тока, диаметра электрода и скорости подачи соответственно, которые подбирались как опорные значения

I_баз=180 А, d_баз=1 мм, v_баз=0,035 м/с.

В свою очередь скорость подачи сварочной проволоки определяется по формуле из работы [2]:

, (3)

где U_кап – температура капли на торце электрода ([2], формула (6)), В; -– удельные теплоты превращения железа в точках А₂-А₅ фазовых переходов на диаграмме состояния железо – углерод, Дж/кг; U_экв – эквивалентное напряжение при расплавлении дугой [2; 9], В; r – удельное электрическое сопротивление металла при Т = Т_кап, Ом×м; Dl – сплайн-аппроксимация результатов вычислений интервала (как функции величин n_п и j), приведенных в работе [4], а также аппроксимации зависимостей величин С_р(Т) и r(Т) для сталей, приведенные в работах [10; 11].

При выборе значений тока сварки или плотности тока необходимо учитывать, что существуют ограничения по выбору допустимого тока сварки [3]: при токах меньших 30-40 А для омедненной и неомедненной проволок наблюдается случайно повторяющееся снижение контактного падения напряжения U_кон до 0,01 ¼ 0,04 В; при больших токах (при значениях плотностей тока в проволоке, превышающих 400 А/мм²) характер контакта становится искровым, что приводит к резкому увеличению величины U_кон. Эти режимы желательно не допускать, так как они сопровождаются повышенным износом мундштука и возникновением тепловых волн, движущихся вместе с вылетом и приводящих к разрушению устойчивости сварочного процесса.

Построение номограмм и работа с ними. За основу были взяты приведенные в работе [2] номограммы, которые были построены по результатам проведенных расчетов, а также с учетом обобщенных существующих рекомендаций работ А.Г. Потапьевского, И.И. Зарубы, В.Я. Лаврищева, Б.К. Панибратцева, В.Г. Свецинского, В.И. Галинича и других ученых.

При составлении номограмм задаваемыми параметрами являются температуры Т_о.ср, T₁ и T_кап, d, защитный газ и марка сварочной проволоки (так как ее химический состав учитывается при расчетах параметров сварки). Плотность тока задавалась в рамках обычно используемых значений (j = 5×10⁷…6×10⁸ А/м²). Затем по методике расчета, описанной в работах [2-4; 6; 8; 10; 11] с учетом формул (1)-(3) рассчитывались значения v_п, T₀ и отношение Т₀/Т₁, при котором значение T₀ < Т₁ при заданных T₁ и T_кап.

Для обеспечения сварочного процесса необходимо, чтобы отношение расчетного Т₀ к задаваемому Т₁ лежало в пределах 0,6…0,7. Если Т₀/Т₁ < 0,6, то падает производительность сварочного процесса, а если отношение Т₀/Т₁ > 0,7, то возможна ситуация, когда при возникновении случайных колебаний Т₀ получится больше, чем заданное значение Т₁ и процесс сварки при заданном Т₁ будет невозможен.

На рисунке 1 представлена расчетная зависимость отношения температур Т₀/Т₁ от плотности тока при разных диаметрах электрода. При значениях Т₀/Т₁ = 0,6, 0,65, 0,7 на рисунке 1 проводим горизонтальные прямые (пунктир) и определяем значения плотности тока для каждой точки пересечения пунктирных прямых с кривой соответствующего диаметра электрода. Затем с помощью номограмм из работы [2] определяем соответствующие этим точкам значения сварочного тока.

Рис. 1. Зависимость отношения температур Т₀/Т₁ от плотности тока и от разных диаметров
электрода при заданных значениях Т₁ = 700 К, Т_кап = 2700 К, проволока марки Св08Г2С при сварке в СО₂

Полученные данные позволяют нанести на номограммы работы [2] границы оптимальных режимов сварки. На рисунке 2 показаны номограммы, которые с учетом этих полученных оптимальных границ являются более универсальными, чем существующие номограммы. Помимо нанесенных на них областей I-VIII режимов сварки в зависимости от способа переноса металла и их границ на них показаны области оптимальных значений режимов сварки при которых T₀ < Т₁. На номограммах имеются три такие области, которые построены при разных заданных значениях Т₁. Верхняя граница каждой такой области соответствуют значению Т₀/Т₁ = 0,7, а нижняя - Т₀/Т₁ = 0,6.

 

Рис. 2. Номограммы по выбору тока сварки в зависимости от диаметра электрода
и темрературы "стыка"

Рекомендуется выбирать значения тока при заданном диаметре электрода в желаемых из технологических соображений областях I-VIII в середине одной из указанных температурных зон, при этом k близко к 0,65. Таким образом, используя эти номограммы мы попадаем в реализуемый режим, при котором значение Т₀ всегда меньше Т₁.

Выводы. Разработанные номограммы предназначены для выбора сварочного тока при механизированной дуговой сварке в защитных газах низкоуглеродистых и низколегированных сталей длинной дугой. Они позволяют выбрать оптимальное значение тока при заданном диаметре электрода с учетом того, что расчетное значение начальной температуры проволоки на выходе из мундштука будет всегда меньше выбранной температуры предварительного подогрева электрода. Такое условие обеспечивает то, что температуры капли и предварительного подогрева электрода будут находиться в рамках допустимых значений. Это позволяет более точно рассчитать все основные параметры режима сварки из условий сохранения теплового баланса и поддерживать их во время сварки на требуемом уровне.

Список использованных источников

1. Коринец И. Ф. Номограммы для определения режимов дуговой сварки в углекислом газе / И. Ф. Коринец, Ю.И. Охай // Автоматическая сварка. – 1995. – № 10. – С. 46-48.

2. К аналитическому определению основных параметров режимов механизированной сварки в среде защитных газов // Cб. наук. праць Національного університету кораблебудування (НУК). – 2006. – № 1 (406). – С.68-79.

3. Петриенко О. И. Влияние тепловых и электрических процессов на режимы механизированной сварки сталей в защитных газах: дис.… канд техн. наук: 05.03.06 / О. И. Петриенко. – К., 2006. – 176 с.

4. Пентегов И. В. Расчет распределения температуры по длине вылета электрода с учетом тепла, поступающего от капли / И. В. Пентегов, О. И. Петриенко // Автоматическая сварка. – 2003. – № 7. – С. 23-28.

5. Шейнкин М. З. Определение допустимого вылета тонкой электродной проволоки при сварке в углекислом газе / М. З. Шейнкин // Сварочное производство. – 1978. – № 9. – С. 24-28.

6. Пентегов И. В. Метод определения температуры проволоки на выходе из мундштука при дуговой сварке в защитных газах / И. В. Пентегов, О. И. Петриенко // Автоматическая сварка. – 2005. – № 10. – с. 25-28.

7. Кирьянов Д. В. MathCAD 14 / Д. В. Кирьянов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2007. – 704 с.

8. Определение падения напряжения в области контакта электродной проволоки с мундштуком сварочной горелки при механизированных видах дуговой сварки / И. В. Пентегов, О. И. Петриенко, С. В. Пустовойт, В. Н. Сидорец, А. В. Лавренюк // Автоматическая сварка. – 2005. – № 6. – С. 12-17.

9. Nakamura T., Hiraoka K. Wire Melting Behavior by Non-Steady Heat Conduction Numerical Analy­sis in Gas Metal Arc Welding // Quarterly of the Japan weld Sosiety. – 2002. – Vol. 20. – № 1. – P. 53-62.

10. Пентегов И. В. Метод расчета падения напряжения по длине вылета электрода с учетом нелинейности теплофизических параметров / И. В. Пентегов, О. И. Петриенко // Автоматическая сварка. – 2002. – № 4. – С. 30-33.

11. Петриенко О. И. Влияние тепловых и электрических процессов на режимы механизированной сварки сталей в защитных газах: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.03.06 // О. И. Петриенко; АН Украины. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона. – К., 2006. – 25 с.