2 of 13

Дослідження процесу гібридного плазмово-дугового зварювання плавким електродом

В даний час продовжуються активні дослідження процесу гібридного плазмово-дугового зварювання плавким електродом. Такі дослідження проводяться в ряді університетів, зокрема, в Технічному університеті міста Хемніц та в SLV Muenchen (Німеччина). Особливості процесу плазмово-дугового зварювання плавким електродом також вивчалися в Китаї, Японії і Бразилії. В Україні питаннями плазмово-дугового зварювання плавким електродом займалися в Приазовському технічному університеті та ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ .

3 of 13

Мета дослідження

Метою дослідження є покращення механічних властивостей і зниження показників напружено-деформованого стану зварних з'єднань легованих алюмінієвих сплавів шляхом зниження обсягу використовуваного електродного дроту, погонної енергії і вигоряння легуючих елементів за рахунок застосування гібридного плазмово-дугового зварювання
Досягнення цієї мети здійснювалося за наступною методою. Спочатку на підставі літературних даних було обрано інтервали варіювання параметрів режимів гібридного плазмово-дугового (Plasma-MIG) зварювання.
Далі, шляхом математичного моделювання провели аналіз впливу цих параметрів на глибину провару і швидкість зварювання, після чого обрали найбільш перспективні з позицій мінімізації тепловкладення та погонної енергії. Перевірили достовірність розрахунків і на обраних режимах виконали зварювання дослідних зразків.
При цьому проаналізували взаємний вплив плазмової дуги та дуги плавкого електрода одна на одну, а також їх спільний вплив на процес гібридного зварювання. Для порівняння отриманих результатів виконали традиційне імпульсно-дугове зварювання аналогічних зразків із тією ж швидкістю або максимально близькою погонною енергією.

4 of 13

Для виконання попередніх технологічних розрахунків з міркувань найбільш широкого застосування в промислових зварних конструкціях вибрали алюмінієві сплави 5083 та 1561, при зварюванні яких використовується електродний дріт ER5356.

Для моделювання теплового джерела, що діє при Plasma-MIG зварюванні в алюмінієвій пластині, застосовувалася модель J. Goldak

Відповідно до цієї моделі теплове джерело представляли

у вигляді подвійного еліпсоїда. Розрахунок розглянутих термічних процесів зварювання проводився за допомогою кінцево-елементного моделювання.

В якості основного допущення приймалося, що необмежена пластина алюмінієвого сплаву товщиною δ (наприклад, δ = 10 мм) проварюється наплавочним швом. При цьому обсяг металу, що привноситься плавким електродом, враховувався як обсяг металу пластини, що проварюють, переплавленого дугою цього електрода.

Для підвищення точності розрахунків в зоні дії теплового джерела використовувалася сітка з меншим кроком, а в інших зонах – з порівняно великим.

Рис. 1. Схема моделі розподіленого об'ємного джерела нагріву,

що має форму двійного еліпсоїда

Застосований в ході розрахунків метод кінцевих елементів заснований на припущенні, що тіло можна уявити у вигляді набору елементів, з'єднаних один з одним тільки в вузлах. Взаємозв'язок вузлових змін температури в часі задається за допомогою температурної матриці елемента.

5 of 13

В ході виконання комп'ютерного моделювання відповідно до рекомендацій робіт вибирали режими процесів Plasma-MIG зварювання, за якими способом кінцево-елементного моделювання визначали розподіл температур по глибині пластини, що проплавляють.
При виборі параметрів режимів Plasma-MIG зварювання враховували як глибину провару Н, так і ширину шва, що формується, приблизно від- повідну параметру dMIG. Для зварювання пластин товщиною δ = 10 мм між кромками, що стикуються, лишали зазор, який приблизно дорівнював діаметру електродного дроту (тобто ~1,6 мм), що дозволяло звузити шов і підвищити швидкість процесу.
Зварювання пластин δ = 5 мм здійснювали зі щільним стикуванням кромок. У всіх випадках зварювання велося на підкладці для уникнення витікання ванни. Такі технологічні прийоми в поєднанні з розрахунковими прогнозами дозволяють обирати швидкість зварювання 16,7 мм/с (60 м/год.). При цьому для уникнення надмірної кількості розплавленого металу в зварювальній ванні параметри варіювання потужностей повинні наближатися до співвідношення PMIG:PPL~4000:5000 Вт.

Рис. 2 Блок-схема лабораторного комплексу Plasma-MIG зварювання

6 of 13

Лабораторна модель технологічного комплексу

Для експериментальної перевірки запропонованих режимів, а також для вивчення технологічних особливостей Plasma-MIG зварювання була розроблена лабораторна модель технологічного комплексу (рис. 2, 3). При проектуванні обладнання орієнтувалися на зварювання листів алюмінієвих сплавів товщиною від 5 до 10 мм. Згідно з проведеними розрахунками для цього сумарне струмове навантаження повинно складати не більше 500 А.
Для отримання рівних можливостей дослідження впливу на процес як плазмової дуги, так і дуги плавкого електрода, струмове навантаження доцільно розділити приблизно порівну.

Рис.3. Зовнішній вигляд лабораторного комплексу Plasma-MIG зварювання

7 of 13

Виходячи з цього міркування були обрані зварювальні джерела живлення (Tetrix 421 AC/DC фірми EWM для дуги неплавкого електрода і FRONIUS TPS 450 для дуги плавкого електрода) і спроектований інтегрований плазмотрон, здатний витримувати струми не менше 250 А як на плазмовій дузі, так і на дузі плавкого електрода з ПВ 100 %

Рис. 4. 3D-модель (а) і зовнішній вигляд (б) інтегрованого плазмотрона

3D-модель і зовнішній вигляд інтегрованого плазмотрона

8 of 13

При його виготовленні неплавкий електрод виконали діаметром 10,0 мм з осьовим отвором 5,0 мм для виключення можливості дотику електродного дроту діаметром 1,6 мм з внутрішньою стінкою електрода. Діаметр каналу плазмо- утворюючого сопла обрали рівним 10,0 мм з міркувань наближення до габаритів робочої площини неплавкого електрода.
В якості зразків для експериментів використовували пластини з алюмінієвих сплавів 5083 і 1561 з габаритами (400…320)×(200…100)×δ мм (δ = 5, 8 та 10 мм). Зразки зварювали встик, також на їх поверхні виконували наплавочні шви. Для зварювання використовували електродний дріт ER5356 (діаметром 1,6 мм).

Спочатку провели серію експериментів для верифікації результатів розрахунків.

Було встановлено, що точність розрахункового визначення загальної висоти шва лежить в межах 5…10 %, що є задовільним результатом для технологічних розрахунків.

Рис. 5. Поперечний переріз наплавочного шва, виконаного на пластині сплаву 1561 (δ = 8 мм) зі швидкістю 16,7 мм/с:

IMIG = 200 А,

UMIG = 20 В,

IPL = 176 А,

UPL = 30 В

9 of 13

З використанням режимів, обраних розрахунковим способом, були отримані якісні з'єднання сплаву 5083 товщиною 8 та 10 мм(рис. 6). При цьому дуга плавкого електрода, яка стискалася за рахунок зовнішньої плазмової дуги, забезпечувала проплавлення, за формою близьке до кинджального, без утворення традиційно необхідного для цього кейхола.

Рис. 6. Зовнішній вигляд (а) і поперечний перетин (б) стикового з'єднання сплаву 5083 (δ = 8 мм), виконаного Plasma - MIG зварюванням зі швидкістю 6,67 мм/с: IMIG = 142 А, UMIG = 20 В, IPL = 182 А, UPL = 30 В, ЕΣ ≈ 1230 Дж/мм

Зовнішній вигляд і поперечний перетин стикового з'єднання сплаву 5083

10 of 13

Після цього були проведені порівняльні експерименти зі зварювання імпульсною дугою плавкого електрода (MIG) і гібридного Plasma-MIG зварювання (рис. 7).

Рис. 7. Поперечні перерізи стикових з'єднань сплаву 1561 (δ = 5 мм): а – MIG зварювання V = 10 мм/с, I= 253 А, UMIG = 26 В, Е MIG ≈ 660 Дж/мм; б – Plasma-MIG зварювання елементів може певною мірою бути пов'язано із�V = 10 мм/с, IMIG = 165 А, UMIG = 17,4 В, IPL = 100 А, UPL = 24,6 В,

ЕΣ ≈ 530 Дж/мм; в – Plasma-MIG зварювання V = 16,7 мм/с,

IMIG = 154 А, UMIG = 18,2 В, IPL = 178 А, UPL = 29,2 В, ЕΣ ≈ 480 Дж/мм

11 of 13

Крім того, плазмова дуга підігріває вільний кінець електродного дроту і підвищує рівномірність нагрівання краплі, що на ньому формується, в порівнянні з нагріванням звичайною дугою плавкого електрода (рис. 8). У свою чергу дуга плавкого електрода сприяє розширенню плазмової дуги. Таке розширення прямо пропорційно величині струму дуги плавкого електрода.
Одним з важливих моментів дугового зварювання алюмінієвих сплавів є небезпека вигоряння легуючих елементів дроту і основного металу. Так, при імпульсному MIG зварюванні в середовищі аргону з підвищенням струму збільшується температура крапель електродного металу (до температур 2100…2600 К), що призводить до інтенсивного вигоряння в них магнію (вміст магнію знижується в 2…3 рази і більше). Через вигоряння магнію у краплях електродного металу можуть утворюватися пори, які в процесі масопереносу попадають до зварювальної ванни і можуть призводити до пористості швів

Рис. 8. Послідовне високошвидкісне відеозображення перенесення краплі металу під час Plasma-MIG зварювання при швидкості 7,4 м/хв. подачі дроту діаметром 1,6 мм (IMIG = 165 А, IPL = 100 А, час переносу краплі – близько 20 мс)

12 of 13

ВИСНОВКИ

Для поліпшення механічних властивостей і зниження показників напружено-деформовано- го стану зварних з'єднань легованих алюмінієвих сплавів запропоновані технологічні прийоми гібридного Plasma-MIG зварювання, які дозволяють в порівнянні з традиційним MIG процесом знизи- ти витрати електродного дроту на 10…30 %, погонну енергію – до 25 %, залишкові деформації – в 2…3 рази, залишкові напруження на ~20 % за абсолютним значенням і зменшити на 15…20 % вигоряння такого легуючого елемента, як Mg.
Встановлено, що стисла плазмова дуга зворотної полярності, яка має переважаючу на 20…30 % потужність, зменшує в розмірі дугу плавкого електрода, заглиблює її в зварюваний метал, дозволяє отримувати кинджальне проплавлення зразка без утворення кейхола, покращує формування швів і знижує схильність до утворення внутрішніх пор і несплавлень.
Встановлено, що при гібридному Plasma- MIG зварюванні алюмінієвих сплавів 1561 та 5083 товщиною до 10 мм зі швидкостями 30…60 м/год. інтегральна погонна енергія становить ЕΣ = 500...1000 Дж/мм, що позитивно впливає на склад і структуру шва, забезпечуючи міцність з'єднань на рівні 80…90 % від показників основ- ного металу, на відміну від міцності 75…80 % при імпульсному MIG зварюванні.

1 of 13