Определяне границите на стабилно протичане на процесите при наваряване под слой от флюс и в защитна газова среда с и без вибрации на електродния тел

3.1.1. Определяне границите на стабилно протичане на процесите при наваряване под слой от флюс и в защитна газова среда с и без вибрации на електродния тел

За целта са проведени експериментални изследвания с електродни телове марка СВ0,8Г2С с диаметри Ø = 1,0; 1,2; 1,6 и 2,0 mm за различните методи на наваряване. Наваряването е извършено върху образци от Ст 45 с диаметър Ø = 80 mm. Подаването на електродният материал в зоната на горене на дъгата е осъществено посредством наваръчна глава тип “Килберг”, като изменението на скоростта на подаване на електродният материал е извършено безстепенно, в границите на стабилно протичане на процеса. За токоизточник е използван постояннотоков преобразувател ИЗА-Г500, а за защитна среда флюс “ВЛ-78” и защитен газ – въглероден двуокис.

Ф
иг.3.2. Изменение големината на тока на наваряване I в зависимост от скоростта на подаване на електродния тел V_Т при наваряване под слой от флюс

Ф
иг.3.3. Изменение големината на тока на наваряване I в зависимост от скоростта на подаване на електродния тел V_Т при наваряване в защитна газова среда без вибрации на тела

От приведените резултати на фиг. 3.2, 3.3, 3.4 и табл. 3.2 се вижда, че с увеличаване скоростта на подаване на електродният тел нараства и големината на тока. В зависимост от размерите на електродния материал и вида на метода на възстановяване, диапазонът на изменение на скоростта на подаване на тела, респективно големината на тока е различен. Това се дължи на факта, че при долната граница на диапазона на изменение на силата на тока мощността на заваръчната дъга, която е необходима за нейното възбуждане е или недостатъчна или поради малката скорост на подаване на електродния материал принципът за саморегулиране на дъгата се нарушава в резултат, на което дължината и бързо се увеличава и се достига до момент когато тя загасва. Това води до силно влошаване на стабилността на процеса и качеството на сформиране на наварения слой.

Горната граница на изменение на силата на тока зависи от момента, при който плътността на тока достига стойност, при която процесът на саморегулиране на дъгата също се нарушава. В този случай скоростта на подаване на електродния материал е по-голяма от скоростта на неговото топене.

Освен от ограничителните параметри свързани със стабилността на протичане на процесите, големината на тока се ограничава от диаметъра на наваряваната повърхнина и дължината на наваръчната вана.

От фиг. 3.5 се вижда, че допустимата дължина на наваръчната вана е един от основните ограничителни фактори свързани с наваряването на повърхнини с определен диаметър и тя предопределя възможността да бъде използван един или друг метод при определен режим на наваряване [42].



Фиг. 3.5. Зависимост на допустимата дължината на наваръчната

вана във функция от диаметъра на наварявания детайл.
Приложими са само тези електродни материали и тези методи, за които допустимата дължина на наваръчната вана, респективно тока на наваряване попадат в диапазона на стабилно протичане на процеса. При условие, че съществува определена алтернативност при избора на един или друг метод или режими на наваряване е необходимо да се избере онзи от тях, който осигурява най-голяма производителност. Ето защо възниква и необходимостта за намиране на функционална връзка между управляемите фактори и ограничителните параметри посочени по-горе.
3.1.2 Определяне ограничителните условия при избора на метод и размер на електродния материал. Изследване влиянието на основните фактори върху дължината на наваръчната вана

При прилагането на възстановителните методи на наваряване под слой от флюс, в среда от СО₂ без и с вибриране на електрода се използват различни по форма и размери електродни материали. В литературата липсва обосновка, кога и в кои случай е целесъобразно използването на един или друг метод или на неговите разновидности съобразно специфичните структурни характеристики на детайлите, подлежащи на възстановяване. С използването на различните методи, различни по форма и размери електродни материали и при различно съчетание на електричните и кинематични параметри е възможно получаването на наварени повърхнини с различни технико-икономически показатели. При електродни материали с един и същи химически състав тези показатели се предопределят основно от производителността, която зависи от количеството внесена енергия на линеен метър наварена повърхнина. С повишаване силата на тока се увеличава количеството внесена линейна енергия, респективно нараства и производителността на процеса. В случая:

където: I_н е силата на тока; V_T - скоростта на подаване на електродния материал; Ф_ел.м – формата и размера на електродния материал.

Следователно възниква въпросът, при каква максимална сила на тока може да се работи, при определени структурни характеристики на детайлите, с цел получаването на максимална производителност. Необходимо да се намери такова съчетание между входните фактори и изходните параметри, при което се получават необходимите качествени показатели на възстановените детайли при минимална себестойност.

По-горе беше отбелязано, че както минималната, така и максималната големина на тока се ограничават от доброто сформиране на шева и стабилното протичане на процеса. Като основен ограничителен параметър в случая се явява дължината на наваръчната вана, която оказва решаващо влияние върху сформирането на шева и стичането на разтопен метал при наваряването на цилиндрични повърхнини. Това е свързано с определен диференциран подход при избора на мощността на дъгата, която е свързана, както с метода на наваряване, така и с технологичните параметри (съответно силата на тока) при възстановяване на детайли с различни диаметри.

Процесите в заваръчната дъга – термоелектронната и термойонната емисия, термичната и повърхностна йонизация, газо-динамичните въздействия, температурните условия, химическите процеси и др. в значителна степен определят такива важни технологични характеристики, като: устойчивост и стабилност на дъгата; топенето, пренасянето и разпръскването на електродния метал; диапазона на режимите на наваряване, които от своя страна са пряко свързани с приложимостта на различните методи на наваряване и технико икономическите показатели при възстановяването на детайлите [22, 92, 115, 125].

Основен източник на топлина при наваряване е електрическата енергия. Заваръчната дъга преобразува електрическата енергия в топлина. Топлината се предава на детайла чрез петното на заваръчната дъгата, посредством бомбардирането му с електрони и положителни йони [42, 92, 109, 148]. При наваряване само част от топлинната мощност на източника се използва за нагряване на метала. Характерът на разпределение на топлинната мощност представлява топлинния баланс на дъгата (фиг. 3.6).

Тази част от топлинната мощност на източника, която непосредствено се изразходва за нагряване и разтопяване на метала (основния и добавъчния) се нарича ефективна топлинна мощност на дъгата. Ефективната топлинна мощност представлява количеството топлина отдадено на нагряващото се тяло за единица време и разпределението и по повърхността и обема на тялото. Ефективната топлинна мощност на дъгата е правопропорционална на електрическата енергия:

където:  е ефективният коефициент на полезно действие на дъгата.

Ефективния КПД на дъгата представлява отношението на количеството топлина въведено в метала за единица време към пълната топлинна мощност на заваръчната дъга.

(3.6)

При наваряване под слой от флюс ефективния КПД на дъгата  = 0,80 при долна граница и 0,90 при горна граница на стабилно протичане на процеса. При наваряване защитна среда от СО₂ без вибрации на електродния тел  = 0,72 при долна граница и 0,9 при горна граница на стабилно протичане на процеса, а при наваряване с вибрации -  = 0,60 при долна граница и  = 0,75 при горна граница [42, 58, 85]. С увеличаване на дължината на дъгата или диаметъра на електродния тел ефективния КПД намалява, а с увеличаване на скоростта на наваряване ефективния КПД нараства [12, 42, 86].

Както беше отбелязано по-горе възможността за повишаване на производителността при наваряване на цилиндрични детайли за сметка на повишаването на наваръчния ток и повишаването на сечението на електродния тел се ограничава от допустимата дължина на наваръчната вана. При наваряване на цилиндрични детайли формирането на наварения метал до голяма степен зависи от ефективната топлинна мощност на дъгата, която оказва основно влияние върху дължината L на наваръчната вана (фиг. 3.7) [125, 144, 157].



Фиг. 3.7. Дължина на наваръчната вана L

Дължината на наваръчната вана е функционално зависима от големината на тока, температурата на подгряване и автоподгряване (подгряването от съседните наварени валчета), от топло-физическите характеристики на метала (обемна топлоемкост на метала, коефициента на температуропроводност, коефициента на топлоемкост), от формата и размера на електродния материал и от скоростта на наваряване. Всички тези фактори характеризират химичните физичните и металургични процеси във ваната, респективно качеството на навареният метал.

Ето защо и целта на настоящето работа е да се изследва влиянието на основните управляеми фактори върху дължината на наваръчната вана при различни методи на наваряване използвани за възстановяването на износени детайли от земеделска и автотракторна техника.

Силата на тока е основен фактор, който определя мощността на дъгата, а оттам и количеството енергия постъпващо във ваната. Температурата на автоподгряване влияе пряко върху дължината на наваръчната вана. Колкото по-интензивно е подгряването, толкова по-интензивно ще бъде и нарастването на дължината на наваръчната вана. Граничната температура на автоподгряване не бива да достига повече от 400°С. По-високи стойности на температурата на загряване на детайлите са причина за влошаване на шлакоотделянето и до нарушаване доброто сформирането на наварения метал.

Температурата на автоподгряване зависи от количеството електрическа енергия, която електрическата дъга преобразува в топлинна. Част от тази топлина се използва за разтопяване на основния и добавъчният материал, така също и на флюса, а другата чрез топлообмен преминава в детайла. Разпространението на последната зависи от топлофизическите характеристики на метала. Колкото коефициента на топлопроводимост е по-малък, толкова по-интензивно е подгряването на детайла в зоната на действие на електрическата дъга. Колкото по-интензивно е подгряването, толкова и по-интензивно ще бъде нарастването на наваръчната дъга. В резултат на това се ограничава и диапазона на приложение на един или друг метод за детайли с определени структурни характеристики.

Въз основа на извършеният по-горе анализ е разработен кибернетичен модел за изследване дължината на наваръчната вана (фиг. 3.8). За управляеми фактори са избрани ефективната мощност и температурата на подгряване за съответните методи на наваряване в границите на стабилно протичане на процеса.

Ф
иг. 3.8. Модел за изследване дължината на наваръчната вана L_ЗВ: q – ефективната мощност на дъгата; Т_ - температурата на подгряване: М - метода на наваряване.

На базата на разработеният модел за изследван на дължината на наваръчната вана е извършено теоретично-експериментално изследване за влиянието на горепосочените управляеми входни фактори върху изходния параметър. Изследването е проведено при наваряване под слой от флюс и в защитна газова среда с и без вибрации на електродния тел. Прието е, че началната температура на опитните образци е равна на стайната (18ºC), а коефициента на топлопроводност е приет за константна величина, тъй като материала и размерите на пробните тела са едни и същи за различните методи на наваряване.

Опитите за определяне дължината на наваръчната вана са проведени върху цилиндрични пробни тела от стомана 45 с дължина L = 200 mm и диаметър Ø = 80 mm. За да има сравнимост при провеждане на опитите за различните методи за възстановяване е използван един и същи електроден тел марка СВ0,8Г2С с диаметър Ø =1,6 mm. За защитна среда е използван въглероден диоксид с разход Q_CO2 = 15 l/min и флюс ВЛ-1. Опитите са проведени при постоянна големина на напрежението на наваряване U_H = 22V при СО₂ наваряване без вибрации на тела, U_H =20 V при СО₂ наваряване с вибрации на тела и U_H = 28V при наваряване под слой от флюс. Скоростта на наваряване е V_H = 1,0 m/min, стъпка на наваряване - S_H = 3,2 mm/об, времето на наваряване t_H = 5,0 min, брой на витките - 18, изместване от зенита на детайла 2,0 mm и излаз на електрода - I_T = 15 mm.

За цилиндрични детайли, наварявани по винтова линия дължината на наваръчната вана се определя по зависимостта:

където Т_Т е температурата на топене на стоманата; q – ефективната мощност на дъгата; Т_ - температурата на автоподгряване на детайла в зоната на наваръчната вана;  = 0,09- коефициента на топлопроводност на материала.

За определяне съответствието между експериментално получените резултати за дължината на наваръчната вана с теоретичните, са проведени и съответните теоретични изчисления. Ефективната топлинна мощност на дъгата е определена в границите на стабилно протичане на процеса за различните методи на наваряване и е определена по зависимост (3.5). Резултатите за получените теоретични и експериментални дължини на наваръчната вана, за различните методи на наваряване са представени в табл. 3.3.

Необходимо е да отбележим, че при прилагането на съответните възстановителни методи наваряването е проведено при напрежение, съответстващо на технологичните изисквания за съответният метод и същото варира в сравнително тесни граници.

В някой литературни източници е посочено [42, 88, 144, 157], че при наваряване на масивни детайли температурата на автоподгряване на детайла оказва незначително влияние върху нарастването на дължината на ваната и същата може да бъде пренебрегната. Вземайки предвид тази предпоставка допустимата сила на тока може да се определи по следната зависимост:

, (3.9)

Както беше посочено в т. 3.1.1 и 3.1.2 и фиг. 3.5 при наваряване на цилиндрични детайли с различни диаметри мощността на дъгата се ограничава от дължината на наваръчната вана. Колкото е по-голям диаметърът на възстановяваната повърхнина, толкова са по-малки ограниченията по отношение дължината на наваръчната вана, при която може да се предотврати стичане на разтопен метал и шлака.

Възможността за повишаване производителността при наваряване на цилиндрични детайли с електроден тел за сметка на увеличаване сечението му или наваряване в диапазон на горната граница на стабилно протичане на процеса се ограничава от допустимата дължина на наваръчната вана за детайли със съответните структурни характеристики. Ето защо при наваряване на цилиндрични детайли с различни методи е необходимо при определяне дължината на наваръчната вана да се отчитат освен горепосочените ограничителни фактори така също и температурата на загряване от предходно нанесените шевове.

За наваряване на цилиндрични детайли с по-малки диаметри в определени случай е възможно използването на по-големи мощности на дъгата само при високи скорости на наваряване, поради това, че в тези случаи дължината на наваръчната вана малко зависи от мощността на дъгата. Регулирането на дължината за сметка на ширината на наваръчната вана може да се постигне чрез избор на диаметър на електродния материал. Това позволява да се разшири областта при възстановяване на цилиндрични детайли с малки диаметри.

Изменението на дължината на наваръчната вана в зависимост от силата на тока е показано на фиг. 3.9, 3.10 и 3.11.



Фиг. 3.9. Изменение на дължината на наваръчната вана в зависимост от ефективната мощност на дъгата и температурата на подгряване при наваряване с вибрации на електродния тел.


Фиг. 3.10. Изменение на дължината на наваръчната вана в зависимост от ефективната мощност на дъгата и температурата на подгряване при наваряване без вибрации на електродния тел.


Фиг. 3.11. Изменение на дължината на наваръчната вана в зависимост от ефективната мощност на дъгата и температурата на подгряване при наваряване под слой от флюс.

Използвайки зависимости (3.7) и (3.8) и получените резултати за границите на изменение на силата на тока в диапазона на стабилно протичане на процеса, при известна допустима дължина на наваръчната вана при възстановяване на цилиндрични детайли с различни диаметри може да се направи избор на конкретен метод и режим на наваряване.

Както беше отбелязано по-горе съществено влияние върху дължината на ваната оказва температурата на автоподгряване. От температура 18 до 400°С, в чиито диапазон се осигурява задоволително шлакоотделяне, увеличаването на дължината на наваръчната вана нараства от 4 до 9,8 mm при наваряване с вибрации на тела, от 6,7 до 13,9 mm при наваряване без вибрации на телa и от 12,2 до 21,3 mm при наваряване под слой от флюс.

От приведените по-горе резултати (табл. 3.3) се вижда, че дължината на наваръчната вана зависи не само от ефективната мощност на дъгата, но и от прилагания метод на наваряване.

Според [42, 97, 98, 127] една от причините за тези особености се дължи на факта, че количеството топлина, което се въвежда при възстановяването на детайлите за единица време при различните методи е различна, тъй като и ефективната мощност на дъгата се движи в определени граници за съответните методи. Това се дължи най-вече на различните процеси свързани с топлообмена при различните методи (лъчист топло обмен, конвективен, различен ефективен КПД и др.)

Както беше отбелязано в началото на раздела допустимата дължина на наваръчната вана се ограничава от структурните характеристики на детайлите и най-вече от техният диаметър. От приведените графики (фиг. 3.9, 3.10 и 3.11) се вижда, че при различните методи и за съответните електродни материали се получава различна дължина на наваръчната вана. Детайли с определен диаметър, на който съответства определена допустима дължина на наваръчната вана могат да бъдат наварявани с различни методи и с електродни телове от Ø_мин. до Ø_мак. Следователно е необходимо да се определи не само размера и формата на електродният материал, но и съответния метод за възстановяване. При условие, че съществува определена алтернатива, в такъв случай е необходимо да бъде избран онзи метод и съответния режим на наваряване, при който се удовлетворява изискването за произведението I_д α_н да има максимална стойност.

Известно е [28, 31, 37, 75, 99, 110], че α_н зависи до голяма степен от токовата плътност. Следователно в този случай избираме такъв алтернативен вариант, който дава възможност да се работи с по-висока токова плътност. Разрешаващата способност но токовото натоварване зависи от отношението между площта на околната повърхнина на електрода, към напречното му сечение. Колкото е по голямо това отношение, с толкова по-голяма токова плътност може да се работи, а следователно и α_н ще бъде по-голям. Според [31, 37, 43, 110, 121], това се обяснява с факта, че при материали с развита контактна повърхност, позволяват да се работи с по- голяма сила на тока, в резултат на което се получава и по голяма производителност.

Вземайки предвид получените резултати от теоретично експерименталните изследвания и извършения по-горе анализ се вижда, че при избора на рационален метод за възстановяване свързан с критерият за приложимост е необходимо да се подбере онзи от тях, който осигурява максимална производителност при спазване на по- горе посочените ограничителни условия. Поради това изборът на съответният метод е необходимо да се извърши в следната последователност:

1. Определяне на допустимата дължина на наваръчната вана във функция от диаметъра на възстановявания детайл;

2. Въз основа на определената допустима дължина на наваръчната вана е необходимо да бъде определена допустимата големина на тока на наваряване;

3. От условието за стабилно протичане на процеса определяме алтернативно приложимите методи за наваряване и съответните им електродни материали, които удовлетворяват горепосочените условия за наваряването на повърхнина с определени структурни характеристики;

4. От алтернативно приложимите методи, форма и размери на електродният материал избираме онзи от тях, който осигурява максимална стойност на произведението I_н.α_н, което е пряко свързано с производителността на процеса.

Въз основа на получените резултати и по-горе посочената последователност е разработена номограма (фиг. 3.12), която дава възможност за избор на рационален метод и размер на електродният материал при спазване на ограничителните условия свързани с критерия за приложимост.

За изходно начало се използват експериментално-теоретични данни за допустимата дължината на наваръчната вана [L_3B] за съответната големина на диаметъра на наваряваната повърхнина (I квадрант). Опитни данни за дължината на наваръчната вана в зависимост от големината на силата на тока за различните методи на наваряване и електродни материали са посочени в II квадрант. Производителността при различните методи на наваряване и електродни материали е посочена в III квадрант. В IV квадрант са представени зависимостите на необходимото количество метал за наваряване във функция от диаметъра и големината на износването, при дължина на наваряваната повърхност 0,10 m и времето за наваряване при различна производителност, която се осигурява от съответните методи на наваряване и електродни материали.

Тази номограма (фиг. 3.12) дава възможност за диференциран подход при избор на рационален метод за възстановяване и определянето на размерите на електродния материал. Като изходна база служи диаметъра на повърхността подложена на възстановяване (Т. А, I квадрант). Избора на рационален метод става в следната последователност:

1. Определяне [L_3B] = f(D_И) - Т. В, I квадрант.

2. Въз основа на [L_3B] се прави избор на рационален метод за възстановяване - Т. С, II квадрант.

3. От условието за стабилно протичане на процеса определяме цялата гама от размери на електродния материал, които могат да бъдат използвани при наваряването на дадената повърхност.

5. От големината на износването за дадения диаметър (Т. G, IV квадрант), определяме количеството метал, което е необходимо да наварим при условна дължина на повърхнината 0,10 m (Т. Н, IV квадрант).

6. В зависимост от необходимото количество метал за наваряване и производителността на процеса (т. Е, IV квадрант), определяме времето за наваряване (T. F, IV квадрант).

Въз основа на така построената номограма може да бъде направен избор на рационален метод за възстановяване, както и да бъдат определени размерите на електродния материал. От ограничителното условие за допустимата дължина на наваръчната вана (т. 3.4.1, фиг. 3.5) и въз основа на полученитие резултати приведени в табл. 3.3 се определят граничните стойностти на минималните диаметри (фиг. 3.13) за различните методи на наваряване при долна и горна граница на стабилно протичане на процесите.

Ф
иг. 3.13. Гранични стойностти на допустимите минимални диаметри за различните медоди на наваряване: 1 – наваряване с вибрации на тела; 2 - наваряване без вибрации на тела; 3 – наваряване под слой от флюс.

Изборът на рационален метод и режим на наваряване може да се извърши по три начина: аналитично, графични или посредством софтуер. За целта са разработени номограма позволяваща избор на кинематичните параметри на наваряването (фиг. 3.14) и подходящ програмен софтуер, създаден на базата на съответните аналитични зависимости и експериментални резултати.

Използвайки програмният продукт, лесно може да бъде направен избор на рационален метод, както и да бъде определен режим на наваряване за съответния метод на наваряване.

Като изходна база служи диаметърът на повърхността подлежяща на възстановяване (т. А, I квадрант). Избора на режима на наваряване става по следната последователност:

1. От абсцисата за съответния диаметър и големината на износването, по ординатата определяме необходимото количество метал за наваряване (т. В, II квадрант).

2. В зависимост от необходимото количество метал за наваряване, за различните методи на наваряване, определяме необходимата дължина на електродния материал (т. С, II квадрант).

3. За съответния диаметър определяме максималните обороти, в съответствие с ограничителните условия за различните методи на наваряване относно границите на стабилно протичане на процеса и осигуряващи максимална скорост на наваряване (т. D, IV квадрант).

4. В зависимост от скоростта на наваряване, съответния диаметър и вида на електрода определяме времето за наваряване (т. Е, III квадрант).

5. От условието за равенство между времето за наваряване на износената повърхнина (т. F, III квадрант) и времето за подаване на необходимия електроден материал (т. G, III квадрант), и в зависимостта на последното с дължината на електрода, определяме скоростта на подаване на електродния материал (т. H, III квадрант).