Методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующего подогрев электрода
ART 53590
Авторы:
А.
Г. Крампит, М.
А. Крампит
А.
Г. Крампит, М.
А. Крампит Библиографическое описание статьи для цитирования:
Крампит
А.
Г.,
Крампит
М.
А. Методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующего подогрев электрода // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
2921–2925. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53590.htm.
Аннотация. В статье для снижения энергозатрат и повышения эффективность процесса импульсно-дуговой сварки предлагается методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующего подогрев вылета
электрода.
Текст статьи
Крампит Андрей Гарольдовичкандидат технических наук, доцент кафедры сварочного производства Юргинского технологического института Томского политехнического университета (ЮТИ ТПУ), г. Юргаakrampit@mail.ru Крампит Максим Андреевич студент гр. 10680кафедры сварочного производства Юргинского технологического института Томского политехнического университета (ЮТИ ТПУ),г. Юрга
Методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующего подогрев электрода
Аннотация:В статье для снижения энергозатрат и повышения эффективность процесса импульснодуговой сваркипредлагается методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующегоподогрев вылета электрода.Ключевые слова:импульснодуговая сварка, методика, нагрев электрода, устройство.
Импульсные методы при сварке в активных газах позволяют решить ряд задач, связанных с управлением процесса переноса электродного металла, управлением формирования геометрии и структуры сварного соединения [1].Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро меняющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки –от минус 3040°С, при сварке на морозе до температурыиспарения металла (около 3000°С для стали). В этом промежутке температур происходят: плавление основного и присадочного металлов, металлургические реакции в жидкой ванне, кристаллизация расплавленного металла, структурные и объемные изменения в наплавленном и основном металлах. Чтобы управлять этими процессами, необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, в том числе и воздействие источников тепла, непосредственно выражающееся в изменении температуры металла.Устройства для импульснодуговой сварки, построенные по принципу «импульснорегулируемого сопротивления», обладают определенным недостатком, а именно, наличием балластного сопротивления для обеспечения формирования тока паузы, которое приводит к потерям мощности, идущей на его нагрев, что снижает эффективность применения импульсных процессов.В статьедля снижения энергозатрат и повышения эффективность процесса импульснодуговой сваркипредлагается методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующегоподогрев вылета электрода.Схема данного устройства представлена на рисунке 1.Устройство[2]состоит из источника питания ИП, к выводам которого подключен фильтрующий конденсатор 1, плюс источника питания соединен с верхней обкладкой коммутирующего конденсатора, соединенный нижней обкладкой через зарядный дроссель 6 с анодом зарядного тиристора, который соединен катодом с минусом источника питания ИП. К плюсу источника питания ИП подключен коммутирующий дроссель, соединенный с анодом силового тиристора, катод которого соединен с силовым дросселем 8. Силовой дроссель 8, в свою очередь, соединен через контактный наконечник 10 и сварочную дугу с минусом источника питания. Также имеется коммутирующий тиристор 4, соединенный анодом с анодом силового тиристора 3, а катодом –с нижней обкладкой коммутирующего конденсатора 5 и с зарядным дросселем 6. Плюс источника питания ИП соединен через контактный наконечник 9 с участком электродной проволоки между контактными наконечниками 9 и 10.
Рис. 1. Схема устройства, использующего подогрев электрода в паузе
Порядок работы устройства: для управления переносом электродного металла используются импульсы, получаемые за счет протекания сварочного тока по цепи: плюс источника питания ИП –коммутирующий дроссель 2 –силовой тиристор 3 –дроссель 8 –второй контактный наконечник 10 –сварочная дуга –минус источника питания ИП. Для обеспечения протекания тока паузы при отпирании вспомогательного тиристора к аноду силового тиристора 3 прилагается обратное напряжение перезаряда коммутирующего конденсатора 5 через коммутирующий дроссель 2, предварительно заряженного с помощью зарядного дросселя 6 и зарядного тиристора 7. В паузе сварочный ток протекает по цепи: плюс источника питания ИП –первый контактный наконечник 9 –участок электрода между контактными наконечниками 9 и 10 –сварочная дуга –минус источника питания ИП.Сварочный ток в паузе ограничивается за счет сопротивления вылета электрода между контактными наконечниками при этом теплота, выделяемая в вылете электрода, пойдет на повышение начальной температуры торца электрода, и во время следующих импульсов потребуется меньшее количество энергии на расплавление капель электродного металла.
Для поиска оптимальных режимов сварки с помощью программы Mathcadпредложена математическая модель процесса.
Приняты следующие начальные условия:температура окружающей среды–20°Cудельное сопротивление(ρ)–0,14*106Ом*м;удельная теплоемкость(c)–462 Дж/кг*K;диаметр проволоки(d)–1,2 мм;удельная теплота плавления (L) –84*103Дж/кг;температурный коэффициент зависимости сопротивления от температуры(α)–0,04К1[3].
Сварочную проволоку для расчетов принимаем за стержень, следовательно,температура в поперечном сечении распределена равномерно [4].
Граничными условиямиприняты:мах температура подогрева 600°C (полученная экспериментально –с учетом обеспечения устойчивость горения дуги);ток паузы 35А;частота импульсов –100 Гц.
Методом подбора определеныследующие параметры:скорость подачиэлектродной проволоки 430 м/ч. Для удобства расчетов переводим в м/с, т.е. скорость подачи равна 0,119 м/с.вылетпроволоки между контактными наконечниками 0,2м, шаг проволоки за 1 циклравен 1,194*103м/c.
Для упрощения просчетов примем следующие допущения:во время паузы и нагрева проволоки подача останавливается;проволока движется только во время импульса на величину, которую она бы прошла за полное время цикла;проволока нагревается только за счет проходящего тока. Теплопроводность, теплоотдача не учитываются.
Таким образом,за один цикл проволока проходит равные участки. За первый цикл такой участок занимает положение “уч1”, нагревается за время прохождения тока паузы, смещается и принимает положение “уч2”, где снова нагревается и смещается в положение “уч3” и т.д.(рис.2).
Рис.2. Схема процесса
Нагрев проволоки от проходящего тока происходит только за время паузы, равной 0,007 с.Чтобы найти изменение температуры за один цикл, нужно найти количество теплоты, выделяемой на этом участке при прохождении тока и посмотреть, на сколько градусов повысит это тепло вылет электродной проволоки.
Выделяемую теплоту на каждом участке вылета за один цикл находимпо закону Ома:,где Qвыделяемая теплота, Iпаузы–сила тока в паузе, R–сопротивление участка электродной проволоки, tпаузы–время паузы.Изменение температуры находим по формуле:∆Т=���
Сопротивление найдем по формуле:,где l–длина участка проволоки, равная шагу за один цикл, ρ–удельное сопротивление, s–площадь сечения проволоки (для d=1,2 мм, s=1,13*106м2).c–удельная теплоемкость, сm–масса участка электродной проволоки, равная произведению удельной плотности на ее объем (m=1,763*103кг).
Изменение сопротивления с повышениемтемпературы найдем по формуле:
∆ܴ=�ܴ�
Просчитываем изменение температурыи сопротивления за каждый шаг:,∆Т=ܳ��
∆ܴ=�ܴ�
где Rнов–сопротивление проволоки после ее нагрева за время паузы.
В следующем цикле за Rпринимаем Rнов. В первом цикле Tначбудет равна температуре окружающей среды (по умолчанию 20°C). Полученная температура Tстанет в следующем цикле начальной температурой Tнач. Как видно, наш процесс цикличен, пока не настанет состояние равновесия, при котором первый участок станет последним перед вторым контактным наконечником, он же и будет иметь максимальную температуру (в нашем расчете Tкон≈600°C), а начальный участок также будет иметь температуру окружающей среды.
Найдя сопротивление вылета проволоки за 1 цикл и приняв ток паузы 35А, рассчитанавыделяемаятеплота.Построенграфик по 10 известным точкам (рис. 3).Зависимость нелинейная. Выбираяиз этого интервала 3 точки,и методом квадратичной интерполяции найдена зависимость:
Методом экстраполяции найдены остальные точки и построенграфик (рис.4).
Рис. 3. Ступенчатый график зависимостиРис. 4. График зависимости температуры участка от номера цикла
Распределениетемпературыпо длине проволоки представлено на рисунке 5.Расчеты показывают, что расход энергии, необходимой для расплавления проволоки и формирования капли, снижается на 35%, по сравнению с обычным импульснодуговым режимом. Этот запас энергии позволяет повысить частоту импульсов при аналогичном управлении процессом «один импульс одна капля». Кратковременность действия тока импульса позволяет сваривать тонколистовой металл без прожогов. При наплавке снижается доля основного металла в наплавляемом слое.
Рис.5.Распределение температур по длине проволоки
Устройство, использующее подогрев электрода в паузе, было выполнено и апробировано в экспериментальной лаборатории Юргинского технологического института Томского политехнического университета (рис. 6)[5].
Рис. 6. Устройство, использующее подогрев электродной проволоки
В состав установки входит:источник питания дугового прожектора с падающей внешней характеристикой;сварочный источник питания с жесткой внешней характеристикой ВДУ504У3 с уменьшенной индуктивностью отключен дроссель и уравнительный реактор;источник импульсов сварочного тока модулятор ИРС1200АД;светолучевой осциллограф С813;сварочный стенд состоящий из:а) вращателя оригинальной конструкции,б) сварочной головки ГСП2сварочные кабели и измерительные провода;блок управления сварочными процессами БАРС2В с пультом управления;газовая аппаратура;схема синхронизации.Проведенные экспериментальные исследования показывают, что использование теплоты, выделяемой на участке между контактными наконечниками, снижает удельноетеплосодержание капель электродного металла, повышает производительность наплавки (до 2х раз), а также повышает коэффициент полезного действия системы импульсного питания.Использование данного устройства при импульснодуговой сварке обеспечивает качественное формирование облицовочного шва.Микроструктура облицовочного шва сварного соединения в щелевую разделку, выполненного с помощью устройства, использующего подогрев электродной проволоки, показана на рисунке 7.
а
бРис. 7. Микроструктура (×100×0,5) металла шва (а) и зоны сплавления (б)
Металл шва характеризуется направленным ростом кристаллитов с небольшим изменением направления в центре шва. На границе кристаллов феррита наблюдается незначительное количество перлита. Перед линией сплавления наблюдается направленный рост кристаллитов перпендикулярно плоскости сплавления. Зона перегрева невелика. Крупные поля перлита с небольшим количеством ферритных зерен по границам полей.Вывод.Применение устройства позволяет повысить эффективность процесса импульснодуговой сварки, а именно:расширить диапазоны применения сварки плавящимся электродом с управляемым механизмом переноса электродного металла;уменьшить тепловложение в сварное соединение;снизить газодинамическое воздействие со стороны сварочной дуги, благодаря чему повышается устойчивость горения дуги и улучшается формирование сварного шва.
Ссылки на источники1. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Князьков С.А. Особенности импульсного управления процессом сварки в СО2длинной дугой // Автоматизация и современные технологии–2002 №9
С.1215.2.Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Крампит М.А.Устройство для электродуговой сварки. /Патент на изобретение № 2429112от 20.09.2011г.3. Фролов В.В. Теория сварочных процессов // Издательство “Высшая школа”–1988г.4. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке // Издательство “МАШГИЗ”–1951г.5. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Крампит М.А. Устройство, использующее подогрев электродной проволоки // Ремонт, восстановление и модернизация –2011.
№7.–С. 911.Рис. 3A. G. Krampit,cand. sc., assistant professor, Yurga Institute of Technology (branch) of Tomsk Polytechnic University YTI of TPU, Yurgaakrampit@mail.ru M. A. Krampit,student, YurgaInstitute of Technology (branch) of Tomsk Polytechnic University YTI of TPU, YurgaMethod of calculating the heat of welding wire to a device using the electrode heatingAnnotation:to reduce energy consumption and improve the efficiency of the pulsed arcwelding was offered method of calculation of the heating of the electrode wire for device using heating electrode.Keywords:pulsedarc welding technique, heating electrode device.
Методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующего подогрев электрода
Аннотация:В статье для снижения энергозатрат и повышения эффективность процесса импульснодуговой сваркипредлагается методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующегоподогрев вылета электрода.Ключевые слова:импульснодуговая сварка, методика, нагрев электрода, устройство.
Импульсные методы при сварке в активных газах позволяют решить ряд задач, связанных с управлением процесса переноса электродного металла, управлением формирования геометрии и структуры сварного соединения [1].Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро меняющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки –от минус 3040°С, при сварке на морозе до температурыиспарения металла (около 3000°С для стали). В этом промежутке температур происходят: плавление основного и присадочного металлов, металлургические реакции в жидкой ванне, кристаллизация расплавленного металла, структурные и объемные изменения в наплавленном и основном металлах. Чтобы управлять этими процессами, необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, в том числе и воздействие источников тепла, непосредственно выражающееся в изменении температуры металла.Устройства для импульснодуговой сварки, построенные по принципу «импульснорегулируемого сопротивления», обладают определенным недостатком, а именно, наличием балластного сопротивления для обеспечения формирования тока паузы, которое приводит к потерям мощности, идущей на его нагрев, что снижает эффективность применения импульсных процессов.В статьедля снижения энергозатрат и повышения эффективность процесса импульснодуговой сваркипредлагается методика расчета нагрева электродной проволоки для устройства, использующегоподогрев вылета электрода.Схема данного устройства представлена на рисунке 1.Устройство[2]состоит из источника питания ИП, к выводам которого подключен фильтрующий конденсатор 1, плюс источника питания соединен с верхней обкладкой коммутирующего конденсатора, соединенный нижней обкладкой через зарядный дроссель 6 с анодом зарядного тиристора, который соединен катодом с минусом источника питания ИП. К плюсу источника питания ИП подключен коммутирующий дроссель, соединенный с анодом силового тиристора, катод которого соединен с силовым дросселем 8. Силовой дроссель 8, в свою очередь, соединен через контактный наконечник 10 и сварочную дугу с минусом источника питания. Также имеется коммутирующий тиристор 4, соединенный анодом с анодом силового тиристора 3, а катодом –с нижней обкладкой коммутирующего конденсатора 5 и с зарядным дросселем 6. Плюс источника питания ИП соединен через контактный наконечник 9 с участком электродной проволоки между контактными наконечниками 9 и 10.
Рис. 1. Схема устройства, использующего подогрев электрода в паузе
Порядок работы устройства: для управления переносом электродного металла используются импульсы, получаемые за счет протекания сварочного тока по цепи: плюс источника питания ИП –коммутирующий дроссель 2 –силовой тиристор 3 –дроссель 8 –второй контактный наконечник 10 –сварочная дуга –минус источника питания ИП. Для обеспечения протекания тока паузы при отпирании вспомогательного тиристора к аноду силового тиристора 3 прилагается обратное напряжение перезаряда коммутирующего конденсатора 5 через коммутирующий дроссель 2, предварительно заряженного с помощью зарядного дросселя 6 и зарядного тиристора 7. В паузе сварочный ток протекает по цепи: плюс источника питания ИП –первый контактный наконечник 9 –участок электрода между контактными наконечниками 9 и 10 –сварочная дуга –минус источника питания ИП.Сварочный ток в паузе ограничивается за счет сопротивления вылета электрода между контактными наконечниками при этом теплота, выделяемая в вылете электрода, пойдет на повышение начальной температуры торца электрода, и во время следующих импульсов потребуется меньшее количество энергии на расплавление капель электродного металла.
Для поиска оптимальных режимов сварки с помощью программы Mathcadпредложена математическая модель процесса.
Приняты следующие начальные условия:температура окружающей среды–20°Cудельное сопротивление(ρ)–0,14*106Ом*м;удельная теплоемкость(c)–462 Дж/кг*K;диаметр проволоки(d)–1,2 мм;удельная теплота плавления (L) –84*103Дж/кг;температурный коэффициент зависимости сопротивления от температуры(α)–0,04К1[3].
Сварочную проволоку для расчетов принимаем за стержень, следовательно,температура в поперечном сечении распределена равномерно [4].
Граничными условиямиприняты:мах температура подогрева 600°C (полученная экспериментально –с учетом обеспечения устойчивость горения дуги);ток паузы 35А;частота импульсов –100 Гц.
Методом подбора определеныследующие параметры:скорость подачиэлектродной проволоки 430 м/ч. Для удобства расчетов переводим в м/с, т.е. скорость подачи равна 0,119 м/с.вылетпроволоки между контактными наконечниками 0,2м, шаг проволоки за 1 циклравен 1,194*103м/c.
Для упрощения просчетов примем следующие допущения:во время паузы и нагрева проволоки подача останавливается;проволока движется только во время импульса на величину, которую она бы прошла за полное время цикла;проволока нагревается только за счет проходящего тока. Теплопроводность, теплоотдача не учитываются.
Таким образом,за один цикл проволока проходит равные участки. За первый цикл такой участок занимает положение “уч1”, нагревается за время прохождения тока паузы, смещается и принимает положение “уч2”, где снова нагревается и смещается в положение “уч3” и т.д.(рис.2).
Рис.2. Схема процесса
Нагрев проволоки от проходящего тока происходит только за время паузы, равной 0,007 с.Чтобы найти изменение температуры за один цикл, нужно найти количество теплоты, выделяемой на этом участке при прохождении тока и посмотреть, на сколько градусов повысит это тепло вылет электродной проволоки.
Выделяемую теплоту на каждом участке вылета за один цикл находимпо закону Ома:,где Qвыделяемая теплота, Iпаузы–сила тока в паузе, R–сопротивление участка электродной проволоки, tпаузы–время паузы.Изменение температуры находим по формуле:∆Т=���
Сопротивление найдем по формуле:,где l–длина участка проволоки, равная шагу за один цикл, ρ–удельное сопротивление, s–площадь сечения проволоки (для d=1,2 мм, s=1,13*106м2).c–удельная теплоемкость, сm–масса участка электродной проволоки, равная произведению удельной плотности на ее объем (m=1,763*103кг).
Изменение сопротивления с повышениемтемпературы найдем по формуле:
∆ܴ=�ܴ�
Просчитываем изменение температурыи сопротивления за каждый шаг:,∆Т=ܳ��
∆ܴ=�ܴ�
где Rнов–сопротивление проволоки после ее нагрева за время паузы.
В следующем цикле за Rпринимаем Rнов. В первом цикле Tначбудет равна температуре окружающей среды (по умолчанию 20°C). Полученная температура Tстанет в следующем цикле начальной температурой Tнач. Как видно, наш процесс цикличен, пока не настанет состояние равновесия, при котором первый участок станет последним перед вторым контактным наконечником, он же и будет иметь максимальную температуру (в нашем расчете Tкон≈600°C), а начальный участок также будет иметь температуру окружающей среды.
Найдя сопротивление вылета проволоки за 1 цикл и приняв ток паузы 35А, рассчитанавыделяемаятеплота.Построенграфик по 10 известным точкам (рис. 3).Зависимость нелинейная. Выбираяиз этого интервала 3 точки,и методом квадратичной интерполяции найдена зависимость:
Методом экстраполяции найдены остальные точки и построенграфик (рис.4).
Рис. 3. Ступенчатый график зависимостиРис. 4. График зависимости температуры участка от номера цикла
Распределениетемпературыпо длине проволоки представлено на рисунке 5.Расчеты показывают, что расход энергии, необходимой для расплавления проволоки и формирования капли, снижается на 35%, по сравнению с обычным импульснодуговым режимом. Этот запас энергии позволяет повысить частоту импульсов при аналогичном управлении процессом «один импульс одна капля». Кратковременность действия тока импульса позволяет сваривать тонколистовой металл без прожогов. При наплавке снижается доля основного металла в наплавляемом слое.
Рис.5.Распределение температур по длине проволоки
Устройство, использующее подогрев электрода в паузе, было выполнено и апробировано в экспериментальной лаборатории Юргинского технологического института Томского политехнического университета (рис. 6)[5].
Рис. 6. Устройство, использующее подогрев электродной проволоки
В состав установки входит:источник питания дугового прожектора с падающей внешней характеристикой;сварочный источник питания с жесткой внешней характеристикой ВДУ504У3 с уменьшенной индуктивностью отключен дроссель и уравнительный реактор;источник импульсов сварочного тока модулятор ИРС1200АД;светолучевой осциллограф С813;сварочный стенд состоящий из:а) вращателя оригинальной конструкции,б) сварочной головки ГСП2сварочные кабели и измерительные провода;блок управления сварочными процессами БАРС2В с пультом управления;газовая аппаратура;схема синхронизации.Проведенные экспериментальные исследования показывают, что использование теплоты, выделяемой на участке между контактными наконечниками, снижает удельноетеплосодержание капель электродного металла, повышает производительность наплавки (до 2х раз), а также повышает коэффициент полезного действия системы импульсного питания.Использование данного устройства при импульснодуговой сварке обеспечивает качественное формирование облицовочного шва.Микроструктура облицовочного шва сварного соединения в щелевую разделку, выполненного с помощью устройства, использующего подогрев электродной проволоки, показана на рисунке 7.
а
бРис. 7. Микроструктура (×100×0,5) металла шва (а) и зоны сплавления (б)
Металл шва характеризуется направленным ростом кристаллитов с небольшим изменением направления в центре шва. На границе кристаллов феррита наблюдается незначительное количество перлита. Перед линией сплавления наблюдается направленный рост кристаллитов перпендикулярно плоскости сплавления. Зона перегрева невелика. Крупные поля перлита с небольшим количеством ферритных зерен по границам полей.Вывод.Применение устройства позволяет повысить эффективность процесса импульснодуговой сварки, а именно:расширить диапазоны применения сварки плавящимся электродом с управляемым механизмом переноса электродного металла;уменьшить тепловложение в сварное соединение;снизить газодинамическое воздействие со стороны сварочной дуги, благодаря чему повышается устойчивость горения дуги и улучшается формирование сварного шва.
Ссылки на источники1. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Князьков С.А. Особенности импульсного управления процессом сварки в СО2длинной дугой // Автоматизация и современные технологии–2002 №9
С.1215.2.Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Крампит М.А.Устройство для электродуговой сварки. /Патент на изобретение № 2429112от 20.09.2011г.3. Фролов В.В. Теория сварочных процессов // Издательство “Высшая школа”–1988г.4. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке // Издательство “МАШГИЗ”–1951г.5. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Крампит М.А. Устройство, использующее подогрев электродной проволоки // Ремонт, восстановление и модернизация –2011.
№7.–С. 911.Рис. 3A. G. Krampit,cand. sc., assistant professor, Yurga Institute of Technology (branch) of Tomsk Polytechnic University YTI of TPU, Yurgaakrampit@mail.ru M. A. Krampit,student, YurgaInstitute of Technology (branch) of Tomsk Polytechnic University YTI of TPU, YurgaMethod of calculating the heat of welding wire to a device using the electrode heatingAnnotation:to reduce energy consumption and improve the efficiency of the pulsed arcwelding was offered method of calculation of the heating of the electrode wire for device using heating electrode.Keywords:pulsedarc welding technique, heating electrode device.
