Обзор современного методического обеспечения расчета размеров шва при механизированной сварке в смеси газов

АННОТАЦИЯ

Современное крупное машиностроение трудно представить без повсеместного применения сварки в защитных газах. Отечественный и зарубежный опыт иллюстрирует, что одним из эффективных путей совершенствования сварки сталей плавящимся электродом в окислительных защитных газах является использование смесей газов. Однако обзор существующих методик по расчету геометрических размеров шва при механизированной сварке в защитных газовых смесях показал их полное отсутствие.  Необходимы дальнейшие исследования и экспериментальные данные для создания качественных методик по расчету размеров шва при сварке в смесях.

ABSTRACT

Modern large-scale engineering is difficult to imagine without the widespread use of welding in protective gases. Domestic and foreign experience illustrates that one of the most effective ways to improve steels welding with a melting electrode in oxidizing protective gases is the use of gas mixtures. However, a survey of existing methods for calculating the geometric dimensions of the seam during mechanized welding in protective gas mixtures has showed their complete absence. Further research and experimental data are necessary to create high-quality methods for calculating the seam size during welding in mixtures.

Ключевые слова: дуговая сварка, механизированная сварка, смесь газов, защита шва, форма шва, расчет размеров шва.

Keywords: spark welding; mechanized welding; gas mixtures; seam protection; seam form; size calculation of a seam.

Дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов благодаря своей универсальности, возможности механизации и автоматизации процесса является одним из самых распространенных способов сварки в машиностроительном производстве.

Несмотря на широкую распространенность способа, при реализации технологии механизированной сварки зачастую сталкиваются с проблемой обеспечения требуемого качества сварных соединений.

Равнопрочность сварного шва основному металлу – одно из главных требований, предъявляемых к сварному соединению. Прочность, отсутствие дефектов, и требуемая работоспособность сварного соединения в значительной мере определяется правильно рассчитанными размерами и формой шва [3, 11], что, в свою очередь, ведет к существенному снижению расхода сварочных материалов и электроэнергии при производстве сварных конструкций.

Форму шва характеризуют основными параметрами – ширина, высота усиления и глубина проплавления основного металла.

Изменяя химический состава защитной среды, можно эффективно влиять на параметры дуги и глубину проплавления металла. К примеру, добавление к аргону газов с высоким потенциалом ионизации или газов с большой энергией диссоциации молекул ведет к увеличению напряжения дуги, плотности тока и глубины проплавления металла [12].

При сварке углеродистых и низколегированных сталей в качестве защитного газа чаще всего применяется углекислый газ. Однако процесс сварки в этом газе наряду с неоспоримыми достоинствами имеет существенные недостатки, которые ограничивают его использование при изготовлении металлоконструкции ответственного назначения.

Знание свойств компонентов защитных газов и их влияние на сварочный процесс позволяет создать оптимальную защитную среду с точки зрения оптимизации процесса сварки - повышение показателей качества и служебных характеристик сварных изделий, улучшения условий труда и повышения его производительности, а также соблюдения экологических норм при работе. При использовании смесей наблюдается существенная экономия за счет снижения расхода сварочной проволоки, вследствие уменьшения потерь на разбрызгивание, снижение трудозатрат на зачистку сварных соединений от брызг, повышение производительности труда сварщиков на 10 - 20 процентов.  [9, 15].

В ближайшем и более отдаленном будущем использование газовых смесей станет одним из ведущих способов защиты сварного шва при соединении материалов [13].

Вопрос о влиянии отдельных параметров режима сварки в СО₂ на размеры шва подробно рассматривался в 60-70х годах во многих работах [1, 6, 14], однако обобщенных зависимостей для расчета предложено не было, что сильно затрудняло применение данных исследований в производстве.

Данную проблему в 1973 году решил ассистент на кафедре конструкции судов ДВГТУ Луценко В.Т. За основу в своей работе [10] он использовал методы, применяемые для расчета размеров шва при сварке под флюсом [7]. Однако, данные методики сравнительно сложны и могли быть использованы только после установления многих эмпирических коэффициентов.

В работе [10] предложен метод расчета ширины шва при сварке под флюсом с использованием комплексного параметра, характеризующего давление дуги и удельную ширину шва.

Данный метод, позволяющий при минимальном количестве экспериментов получить зависимость для расчета ширины шва, был принят за основу при расчете ширины и усиления шва, а также глубины проплавления основного металла при механизированной и автоматической сварке в СО₂. Это позволило одновременно учесть тепловое и механическое воздействие сварочной дуги, которые и определяют размеры шва [4].

Интерес представляет известная, вообще говоря, общепринятая методика расчета режимов при двусторонней сварке и геометрических размеров шва при автоматической и механизированной сварке под флюсом [2]. В расчетной методике рассматривается только проблема расчета высоты углового шва в зависимости от режима сварки, однако вопрос определения размеров минимального сечения и глубины проплавления остался открытым.

В работе [8] Н.Л. Зайцев усовершенствовал эту методику, основываясь на подтвержденных экспериментами допущениях: зона проплавления при сварке углового шва описывается с помощью уравнения эллипса, а площадь поперечного сечения шва остается постоянной при заданных параметрах режима сварки независимо от его положения. Предлагаемая методика позволила оптимизировать расчет геометрических размеров угловых швов.

В 2014 году Д.С. Бузорина [5] успешно исследовала влияние положение электрода в разделке, угла разделки, скорости сварки, состава защитной среды и вылета электрода на площадь сечения шва и полный тепловой КПД процесса сварки в зависимости от состава защитного газа. Полученные экспериментальные данные Д.С. Бузориной могут быть дополнены и использованы при оптимизации существующих методик для расчета размеров шва.

Данные методики чаще других используются в литературе и приняты за основу при преподавании основ сварки плавлением во всех университетах РФ. Наблюдается потребность в качественных методиках по расчету параметров режима и геометрических размеров шва при механизированной сварке, учитывающих современные тенденции по внедрению защитных смесей. Необходимо экспериментально, на большом количестве образцов при сварке в смеси газов, проследить за изменением конфигурации швов в зависимости от химического состава защитной среды, сопоставить результаты эксперимента с результатами расчёта по методикам [2, 10] и попытаться развить и усовершенствовать эти методики.

Список литературы:
1. Акулов, А. И. Влияние режима и пространственного положения на размеры шва при сварке в СО2 / А. И. Акулов, В. В. Спицын // Сварочное производство. – 1971. – №2. – С. 27-39.
2. Акулов, А. И. Технология и оборудование сварки плавлением : учебник для студентов вузов / А. И. Акулов, Г. А. Бельчук, В. П. Демянцевич. – М.: Машиностроение, 1977. – 432 с
3. Бельчук, Г. А. Сварные соединения в корпусных конструкциях / Г. А. Бельчук. – Л. : Судостроение, 1969. – 279 с.
4. Бродский, А. Я. Давление дуги при сварке электрозаклепками с глубоким проплавлением / А. Я. Бродский, Л. Н. Скороходов // Сварочное производство. – 1966. – №6.
5. Бузорина, Д. С. Исследование условий формирования шва и разработка методики расчета режимов дуговой сварки в защитных газах: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.02.10 / Д. С. Бузорина. — Екатеринбург, 2014. — 22 с.
6. Влияние режима сварки и положения шва в пространстве на их размеры при полуавтоматической сварке в СО2 / В. С. Головченко [и др.]. – Технология судостроения. – 1967. – №2.
7. Дятлов, В. И. Методика расчета автоматической сварки / В. И. Дятлов. – Киев: Облиздат, 1959. – 73 с.
8. Зайцев, Н. Л. Совершенствование методики расчета размеров угловых швов // Вестник ЮУрГУ. Серия Металлургия. – 2015. – №1. – С. 48-50.
9. Кайдалов, А. А. Эффективность применения защитных газовых смесей при дуговой сварке сталей / А. А. Кайдалов, А. Н. Гаврик // Сварщик. – 2011. – № 4. – С. 28–31.
10. Луценко, В. Т. Методика приближенного расчета параметров шва при сварке (наплавке) в СО2 // Сварочное производство. – 1973. – № 1. – С. 20-22.
11. Навроцкий, Д. И. Прочность сварных соединений / Д. И. Навроцкий. – М.: Машгиз, 1961. – 178 с.
12. Паршин, С. Г. Электродуговая сварка сталей и сплавов с применением активирующих материалов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.03.06 / С. Г Паршин. – Тольятти, 2006. – 404 с.
13. Патон Б. Е. Применение защитных газов в сварочном производстве : обзор / Б. Е Патон, С. Т. Римский, В. И. Галинич // Автоматическая сварка. – 2014. – №6-7. – С. 17-25.
14. Повышение производительности сварки в СО2 / В. Т. Золотых [и др.] // Сварочное производство. – 1966. – №8. – С. 16-19.
15. Синица, А. Н. Сравнение экономической эффективности применения углекислого газа и смеси Ar + СО2 в качестве защитных сред при сварке / А. Н. Синица, М. А. Синица, М. Ж. Солодков // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар. научно-техн. конф. – Могилев: Изд – во Белорусско-Российского университета, 2017 – Ст. 153.