Вплив стану поверхні струмопідвідного наконечника на площу контакту між ним і зварювальним дротом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 80 Завгородній В.В., Абрамов О.О., Вичавка А.А. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: tribosenator@gmail.com ВПЛИВ СТАНУ ПОВЕРХНІ СТРУМОПІДВІДНОГО НАКОНЕЧНИКА НА ПЛОЩУ КОНТАКТУ МІЖ НИМ І ЗВАРЮВАЛЬНИМ ДРОТОМ УДК 621.891 Розглянуто закономірність зміни площі контакту між струмопідвідним наконечником і зварювальним дро- том в залежності від стану поверхні внутрішнього каналу наконечника, його шорсткості. Виявлені місця розташу- вання найбільшого зносу наконечника. Найдена залежність величини площі контакту від зміни шорсткости. Виявле- но значення шорсткості, при якій площа контакту має максимальне значення. Визначен оптімальний стан поверхні внутрішнього каналу наконечника. Ключові слова: шорсткість, струмопідвідний наконечник, знос, площа контакту, зварювальний дріт. Вступ Відомо, що для забезпечення безперебійності проведення зварювальних робіт необхідно мати надійний контакт між наконечником і дротом. Величина площі контакті залежить від багатьох факторів. Але одним з найголовніших є стан поверхні внутрішнього каналу наконечника. При виконанні зварю- вання використовують струмопідвідні наконечникі, які виговлені з різних матеріалів, різними способами, з різним станом поверхні, їі шорскістю. Під час експлуатації під діею тертя зварювального дроту, а особ- ливо внаслідок дії мікроіскор при появі електроерозійної складової зносу, стан поверхні перетерпає змі- ни. При руху дроту по каналу наконечника контактування між їх поверхнями здійснюється по виступам (гребням). Проходження електричного струму, а також дія мікроіскор, призводять до оплавлення кінців гребнів. Це призводе до зміни площі контакту між дротом і наконечником, що впливає на величину зва- рювального струму і, як наслідок, на стійкість горіння дуги. Діючий стан проблеми На першому етапі було проведено вивчення стану поверхні внутрішнього каналу зношеного на- конечника. Наконечник, який відпрацював весь свій ресурс (близько 18 годин бесперервної роботи), ро- зрізали у поперечному перетині у п’яти містах з шагом 5 мм (рис.1). Кожний перетин був окремо позна- чен літерами. Поверхні отриманих перетинів і вихідний отвір внутрішнього каналу були зачищені, сфо- тографовані і представлені на рис. 2. Як видно з представлених фотографій, внутрішній канал наконеч- ника у поперечному перетині має замкнуту поверхню неправильної форми, близької до еліптичної. Сама форма каналу відображає місця контактування наконечника з електродним дротом і ділянки зносу. Рис. 1 – Схема перетинів зварювального наконечника: 1 – зварювальний дріт; 2 – наконечник Зношування наконечника відбувається несиметрично відносно осі руху дроту. Найбільшу по ве- личині площу має вихідний отвір. Це пов’язано з тим, що електродний дріт подається у канал не прямо- лінійно, а з певним радіусом кривизни, який виникає внаслідок навивки дроту на касету і після прохо- дження дроту подаючих роликів. Таким чином, контакт дроту з внутрішнею поверхнею наконечника від- Вплив стану поверхні струмопідвідного наконечника на площу контакту між ним і зварювальним дротом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 81 бувається в двох, або, частіше, трьох точках. Знос наконечника проходить найбільше на його торцевому кінці в площині радіусу кривизни дроту, де на величину вихідного отвору каналу значно впливає і руйні- вна дія бризок металу при зварюванні. З поглибленням перетенів у глибину наконечника до його середи- ни і вхідної частини отвір внутрішнього каналу зменшується. Виникає небхідність визначення величини величини деформації каналу відносно осей у площині кожного перетину. На кожну фотографію перетинів нанесено контури дроту (голуба фарба) і чотири вза- ємно перпендикулярні осі (OA, OB, OC, OD), відносно яких визначався знос у кожному перетині. Вісь ОА показує напрямок від центру кривизни навивки дроту, вісь OС показує напрямок до центру кривизни навивки дроту, осі OB і OD – напрямки перпедикулярні до осей OA і OC (рис. 2). Шляхом масштабуван- ня розрахувавли величину площі внутрішнього каналу по кожному перетину і порівняли їх між собою. Рис. 2 – Зовнішній вигляд перетинів наконечників Побудовані графіки величини зносу наконечника відносно до кожної осі у залежності від розта- шування перетину у глибині наконечника (рис. 3). Найбільший за величиною знос наконечник має на то- рці (вид А) по осях OA і OC. По осях OB і OD знос значно менший. В перетинах Б-Б, В-В, Г-Г, Д-Д і Е-Е максимальний знос спостерегається відносно осі ОС зі зменшенням його від перетину до перетину. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 5 10 15 20 25 30 Продольна вісь наконечника, мм В ел ич ин а зн ос у, м м Вісь ОА Вісь ОB Вісь ОC Вісь OD А Б-Б В-В Г-Г Д-Д Е-Е Рис. 3 – Зміна величини лінійного зносу в залежності від розташування перетину уздовж осі наконечника У табл. 1 представлена відносна площа отвору внутрішнього каналу у кожному перетині, де площа отвору у перетині Е-Е прийняли за одиницю. Вплив стану поверхні струмопідвідного наконечника на площу контакту між ним і зварювальним дротом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 82 Таблиця 1 Відносні площини перетину наконечника Позначення перетину Відносна площа отвору внутрішнього каналу А 10,1 Б-Б 2,00 В-В 1,76 Г-Г 1,41 Д-Д 1,21 Е-Е 1,00 Методика і результати розрахунків Для з’ясування впливу стану поверхні наконечника на величину контакту між ним і зварюваль- ним дротом і розрахунків площадок контакту була представлена наступна методика роз’язанна постав- леної задачі з внесенням кількох припущень. Стан поверхні визначається її шорсткістю. Згідно з ГОСТ 25142-82 шорсткість поверхні – це су- купність нерівностей поверхні з відносно малими кроками, виділену за допомогою базової довжини l . Кількісно шорсткість поверхні оцінюється з допомогою параметрів aR або zR . Нерівності поверхні лю- бого реального профілю складаються з виступів та западин, які мають різну конфігурацію, висоту, гли- бину, крок, але по чисельним значенням входять в допуски aR або zR . Для спрощення проведення розрахунків припустили, що всі нерівності поверхней наконечника і дроту (виступи і западини) замінюються на конуси з кутом при вершині 60° (рис. 4). Висоту виступів- конусів наконечника відносно середньої лінії профілю поверхні наконечника означемо як нВH . , висоту виступів-конусів дроту відносно середньої лінії профілю поверхні дроту дрВH . . Рис. 4 – Схема утворення контактних площадок між поверхнями струмопідвідного наконечника і зварювального дроту: а – у точці максимального притиску; б – з відхиленням від вертикальних вісей симетрії дроту і наконечника Дріт, який змотується з касети і рухається у наконечнику, має кривизну. Виходячі з наконечника, він за рахунок пружніх сил притискається до поверхні наконечника на його торці і вздовш образуючої Вплив стану поверхні струмопідвідного наконечника на площу контакту між ним і зварювальним дротом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 83 отвору, величина притискання змінюється як у продольному, так і поперечному напрямках. Умовились, що у точці максимального притискання (по вертикальним оcям симетрії дроту і наконечника) виступи- конуси дроту і наконечника розташовуються симетрично і площадка контатку перпендикулярна їх осям симетрії. З відхиленням від вертикальних осей симетрії дроту і наконечника за рахунок різниці їх діамет- рів осі симетрії виступів-конусів дроту і наконечника совпадати не будуть. Площадка контакту буде роз- ташована не перпедикулярно їх осям і буде змінювати форму з окружністі до еліпсу. Але з огляду на до- сить невеликі відхилення розташування площадок контакту від осей симетрії припустили, що величина їх нахилу і зміна форми змінюються незначно. Умовилися, що для визначеня впливу стану поверхні на величину OS площадок контакту між поверхнями розрахунок площадок проводився для того часу, коли відбувся знос виступів-конусів повер- хні наконечника на третину. Вибір такого часу з’язан с тим, що для з’ясування впливу стану поверхні на- конечника на величину площадок контакту розрахунки площадок бажано проводити на максимально по- чаткових стадіях експлуатації наконечника з мінімальним його зносом. При вибіру більшого часу для ро- зрахунків в наконечнику зростає електроерозійна складова зносу, з’вляються лунки та кратери, які знач- но змінюють початкове значення величини шорскості, що усладнює процес проведення розрахунків. Було вибрано шість наконечників для зварювання дротом діаметром дрd 1,2 мм з різним ста- ном поверхні внутрішнього каналу. Шорскість поверхні кожного з них становила відповідно aR 1,6; 0,8; 0,4; 0,2; 0,1 і 0,06 мкм. Вибір такого діапазону шорскості обумовлений найпоширенішими технологіями виготовлення отвору внутрышнього каналу. Стан поверхні aR 1,6 мкм формується свердлінням, aR 0,8 мкм шліфуванням, aR 0,4 мкм поліруванням. Наконечнків зі станом поверхні aR 0,2; 0,1 і 0,06 мкм не випу- скають, але для розширення розглядаемого діапазону шорсткості вирішили включити і ці значення у до- слід. Далі припустили, що шорсткість омідненого дроту у кожному окремому випадку рівнялася шорст- кості поверхні внутрішнього отвору наконечника. Діаметр нD внутрішнього отвору склав 1,22 мм. Далі було зроблено ще одне припущення: висоти усіх виступів-конусів нВH . чисельно рівні між собою і совпадають з параметром шорсткісті aR . Була розрахована величина площі площадки контакту між виступом-конусом наконечника і виступом-конусом дроту при умові, що осі конусів совпадають і сама площадка знаходилась по відношенню до осей перпендикулярно:   ;)30tan3/1()3/(2/ 222  ВнВноснO HRDS (1) де OS – площа площадки контакту виступа-конуса наконечника з виступом-конусом дроту, мм 2; оснD – діаметр площадки контакту, мм; ВнR – радіус підстави виступу-конусу, мм; нВH . – висота виступу-конусу наконечника, мм. Величину повної площадки контакту KS розрахуемо за формулою: ;21 OK SnnS  (2) де 1n – кількість виступів-конусів поперечного перерізу отвору наконечника, які знаходяться у контакті з виступами-конусами дроту і розташовани по радіусу отвору на величину кута  (величина  визначається з креслення); 2n – кількість виступів-конусів подовжнього перерізу внутрішнього каналу наконечника, які знаходяться у контакті з виступами-конусами дроту. У свою чергу величини 1n і 2n розраховуються за формулами (3) і (4) відповідно: Вн н R D n 43601     , (3); ВнR L n 42  , (4); де L – довжина внутрішнього каналу наконечника. Всі дані зведено у табл. 2. Таблиця 2 Параметри контакту поверхонь електродного дроту і наконечника Вплив стану поверхні струмопідвідного наконечника на площу контакту між ним і зварювальним дротом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 84 aR , мкм  , град  1n 2n OS ×10 -8, мм2 KS , мм 2 1,6 8 25 6766 29,8 0,0504 0,8 24 138 13532 7,4 0,1382 0,4 24 276 27064 1,9 0,1419 0,2 70 1613 54127 0,5 0,4365 0,1 12 553 108253 0,1 0,0599 0,06 10 768 180422 0,04 0,0554 Примітка. *Величину 1n можно безпосередньо підрахувати з креслення у досить великому масштабі. Як видно з таблиці площа котакту між поверхнею отвору наконечника і зварювальним дротом з шорсткістю aR 0,2 мкм перевищуе площу контакту наконечників з жорсткістю aR 1,6; 0,8; 0,4; 0,1 і 0,06 мкм відповідно у 8,7; 3,2; 3,1; 7,3 і 7,9 разів. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Шорсткість Ra, мкм П ло щ а ко н та кт у S к, к в .м м Рис. 5 – Залежність площі контакту між струмопідвідним наконечником і зварювальним дротом від шорсткісті поверхні внутрішнього канлу наконечника Висновки 1. Зношування наконечника ітенсівніше всього відбувається на його торцевій частині. 2. Зі зменшенням шорсткості внутрішнього каналу наконечника відбувається збільшення площі контакту між ним і зварювальним дротом до певного значення, після його перетинання площа контакту зменшується. 3. Для забеспечення більшої стійкості процесу зварювання механізованним і автоматичним спо- собами краще використовувати наконечники з шорсткістю внутрішнього каналу aR 0,4 і aR 0,8. Література 1. Чвертко А.И., Патон Б.Е., Тимченко В.А. Оборудование для механизированной дуговой свар- ки и наплавки. – М.: Машиностроение, 1981. – 264 с. 2. Чубуков А.А. Влияние износа наконечника на технологические параметры процесса сварки // Свароч. пр-во. – 1980. – № 1. – С. 26–27. 3. Абрамов О.О., Завгородній В.В. Механічна складова зносостійкості струмопідвідних наконеч- ників зварювальних пальників // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2009. – № 2. – С. 36-40. 4. Абрамов О.О., Завгородній В.В. Определение электроэрозионной составляющей износа нако- нечников токоподводящих мундштуков сварочных горелок // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2012. – № 2. – С. 32-36. 5. Алехнович В.О., Прошин О.О., Рудик О.Ю. Взаємозамінність, стандартизація та технічні ви- мірювання. Короткий довідник для студентів інженерно-технічних спеціальностей. – Хмельницький: ХНУ, 2005. – 124. Поступила в редакцію 01.12.2015 Zavgorodniy V.V., Abramov A.A., Vychavka A.A. Influence of surface conductive tip on the area of contact between him and welding wire. Вплив стану поверхні струмопідвідного наконечника на площу контакту між ним і зварювальним дротом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 85 To ensure continuity of welding works must have a reliable contact between the tip and wire. The magnitude of the contact area depends on many factors. But one of the most important is the state of the surface of the inner channel tip. When performing welding using strumopidvidni tip that vyhovleni of different materials, in different ways, with different surface state, yii shorskistyu. During operation, the surface state of internal channel tip pereterpaye changes. When traffic on the wire feed tip as a consequence of friction and the passage of electric current, and action mikroiskor, a change in the contact area between the wire tip and that affects the value of the welding current and, consequently, the stability of the arc. Considered pattern changes in the area of contact between the conductive tip and welding wire depending on the state of the internal surface of the tip of the channel, its roughness. The identified location largest demolition tip. Naiden dependence of the contact area on the change of roughness. Detected roughness value at which the contact area is the maximum value. Optimalnyy defined surface state of internal channel tip. Keywords: roughness, conductive tip, wear, contact area, welding wire. References 1. Chvertko A.I., Paton B.E., Timchenko V.A. Oborudovanie dlja mehanizirovannoj dugovoj svarki i naplavki, M.: Mashinostroenie, 1981, 264 p . 2. Chubukov A.A. Vlijanie iznosa nakonechnika na tehnologicheskie parametry processa svarki, Svaroch. pr-vo, 1980, No 1, pp. 26–27. 3. Abramov O.O., Zavhorodniy V.V. Mekhanichna skladova znosostiykosti strumopidvidnykh nakonechnykiv zvaryuval'nykh pal'nykiv, Problemy trybolohiyi (Problems of Tribology), 2009, No2, pp. 36–40. 4. Abramov O.O., Zavgorodnіj V.V. Opredelenie jelektrojerozionnoj sostavljajushhej iznosa nakonech- nikov tokopodvodjashhih mundshtukov svarochnyh gorelok, Problemi tribologії (Problems of Tribology), 2012, No 2, pp. 32–36. 5. Alekhnovych V.O., Proshyn O.O., Rudyk O.Yu. Vzayemozaminnist', standartyzatsiya ta tekhnichni vymiryuvannya. Korotkyy dovidnyk dlya studentiv inzhenerno-tekhnichnykh spetsial'nostey, Khmel'nyts'kyy, KhNU, 2005, 124 p.