Повышение эффективности аддитивного электродугового процесса за счёт импульсного управления

Объектом исследования является процесс сварки неплавящимся электродом в аргоне.
Предмет исследования – разработка процесса аддитивной наплавки изделия неплавящимся электродом с присадкой.
Цель работы – разработка процесса аддитивной наплавки в импульсном режиме.
В процессе исследования проводились анализ тепловложения в область анода в процессе сварки, способов сварки неплавящимся электродом с применением импульсного питания сварочной дуги и влияния катодной струи на структуру анода.
В результате исследования разработан способ сварки дугой, горящей в импульсном режиме, режим импульсной модуляции и оборудование, обеспечивающее его реализацию.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 17
1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………. 19
1.1 Методология аддитивного производства с использованием дуги в
качестве энергетического источника ……………………………………………………… 19
1.2 Методы послойного выращивания……………………………………………………. 20
1.3 Проблемы аддитивного выращивания с использованием дуги в качестве
энергетического источника ……………………………………………………………………. 21
1.4 Достижения в технологии дугового послойного выращивания …………. 24
1.5 Материалы, использующиеся в аддитивном выращивании с
использованием дуги в качестве источника теплоты………………………………. 26
Вывод по первой главе: …………………………………………………………………………. 28
2 Обоснование способа наплавки для аддитивного производства ……………… 30
2.1 Наплавка неплавящимся электродом в среде защитных газов …………… 30
2.2 Основные характеристики процесса …………………………………………………. 32
2.3 Требования к процессу …………………………………………………………………….. 35
2.4 Выбор параметров режима……………………………………………………………….. 36
2.5 Разработка способа наплавки диска на подложку в виде трубы ………… 44
3 Разработка экспериментальной установки ……………………………………………… 47
3.1 Общий вид экспериментальной установки ……………………………………….. 47
3.2 Система блоков автоматического регулирования процессом сварки
«БАРС-2» ……………………………………………………………………………………………… 47
3.3 Описание сварочной головки …………………………………………………………… 49
3.4 Схема обратной связи ………………………………………………………………………. 51
4 Разработка импульсной системы питания ………………………………………………. 54
4.1 Функциональная схема …………………………………………………………………….. 54
4.2 Схема силовой части………………………………………………………………………… 56
4.3 Схема обратной связи ………………………………………………………………………. 58
4.4 Схема управления сварочным циклом ……………………………………………… 59
5 Эксперимент и его результаты ………………………………………………………………. 66
6 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 69
6.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………… 69
6.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………. 70
6.3 SWOT – анализ ………………………………………………………………………………… 71
6.4 Определение возможных альтернатив проведения научных
исследований ………………………………………………………………………………………… 72
6.5 Планирование научно-исследовательских работ ………………………………. 73
6.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования .. 83
7 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 86
7.1 Анализ выявленных вредных факторов ……………………………………………. 87
7.2 Электромагнитные поля в производственных помещениях ………………. 87
7.3 Производственный шум …………………………………………………………………… 90
7.4 Освещённость рабочей зоны …………………………………………………………….. 91
7.5 Микроклимат в помещении ……………………………………………………………… 96
7.6 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды ……………………………………………………………………….. 98
7.7 Охрана окружающей среды ……………………………………………………………. 106
7.8 Защита в ЧС …………………………………………………………………………………… 107
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 110
Список использованных источников ………………………………………………………. 113
Приложение I (справочное) Improving the effeciency of the additive electric arc
process due to pulse control ………………………………………………………………………. 115

В выполнения магистерской диссертации на основе анализа
аддитивных процессов наплавки был выбран процесс электродуговой сварки
неплавящимся электродом в среде защитных газов. Анализ показал, что
дуговой аддитивный процесс является наиболее перспективным.
Применение в качестве источника тепла сварочной дуги, позволяет
повысить параметры качества и производительности. Так же дуговая наплавка
подразумевает использование проволоки, которая гораздо дешевле порошка.
Оборудование для дугового аддитивного производства дешевле аналогичного
оборудования для лазерного аддитивного производства, а структура наплавки
качественнее чем у лазерных методов.
Для реализации выбранного процесса был разработан метод
импульсного питания сварочной дуги неплавящимся электродом в аргоне с
подачей присадочной проволоки, при котором на интервале основной паузы
на сварочную дугу накладываются кратковременные импульсы с частотой не
менее 5Гц.
После описания гидродинамических процессов, происходящих в
дуговой области и физических процессов в дуге, были рассмотрены
рассмотреть зависимость тепловложения от типа дуги (слаботочная и
сильноточная).
Анализ процесса наплавки обозначил необходимые для него
требования, такие как непрерывность подачи присадочного материала,
управление напряжением дуги, непрерывное плавление, стабильность дуги,
малые геометрические размеры ванны.
Разработан алгоритм питания дуги. Обозначены основные параметры
режима и среднее значение тока при импульсном питании.
Выбранный способ наплавки позволяет: при минимальном значении
среднего тока обеспечивать устойчивый процесс горения дуги и минимальные
размеры сварочной ванны, обеспечивать возможность автоматической
стабилизации параметров процесса на интервале одного периода следования
импульса, обеспечить различные алгоритмы управления и широкий диапазон
изменения параметров режима (изменение длительности паузы или импульса).
Введение импульсов большой частоты и малой длительности на интервале
основной паузы позволяет интенсивно осуществлять дегазацию сварочной
ванны и, кроме того, касаемо вопросов социальной ответственности, снижает
нагрузку на зрение.
Разработана экспериментальная установка, которая позволяет
производить послойную наплавку как тел вращения, так и плоских деталей
благодаря манипулятору. Установка обеспечивает автоматический переход к
новому слою без вмешательства оператора при орбитальной сварке.
Для реализации модуляции сварочного тока разработан
функциональная схема, силовая часть которой представляет собой импульсно-
регулируемое сопротивление – балластный реостат, зашунтированный
тиристором со схемой двухступенчатой принудительной коммутацией
последовательного типа, обеспечивающей коммутацию сварочного тока с
амплитудой до 400 А и частотой 250 Гц.
Разработанная схема позволяет контролировать напряжение дугового
промежутка на интервале одного периода импульса и реализует частотно-
импульсную модуляцию второго рода. Система импульсного питания
осуществляет стабилизацию напряжения дуги в импульсном режиме при
мгновенных колебаниях сварочной ванны. Также система обеспечивает
экономичный режим на холостом ходу работая на малых частотах.
В ходе экспериментов, путем последовательного подбора параметров
режима был найден режим, при помощи которого можно осуществлять
стабильную послойную наплавку. Эксперименты показали, что необходимо
иметь две системы автоматического регулирования: при переходе от слоя к
слою в зоне нечувствительности на нескольких периодах импульса, в зоне
нечувствительности с помощью системы импульсного питания. По мере
наложения слоёв происходит накопление тепла, при этом необходимо
разработать коррекцию режимов. Система по мгновенным колебаниям ванны
позволяет снижать режим при переходе от слоя к слою.
Расчёт и анализ ресурсоэфективности и ресурсосбережения показал
необходимые для исследования вложения. По сравнению с перспективой
использования технологии необходимые финансовые вложения не велики.
В разделе социальной ответственности была проанализирована
рабочая обстановка в лаборатории. Оценены вредные факторы и предложены
средства индивидуальной и коллективной защиты. Оценена проблемы защиты
в ЧС и охраны окружающей среды.
Результаты работы в полной мере показывают необходимость
продолжения исследований по данной теме, так как совершенствование
технологии аддитивной наплавки в последствии может найти применение для
массового производства изделий в промышленных масштабах.
Внедрение разработанной технологии в производство возможно после
проведения опытов и различных видов контроля.