CC BY
76
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.017.3:621.791.75
Кусков В.Н., Зябкин О.В., Крылов АП., Потапов Д.А
ТЕРМИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОЙ СВАРКИ МЕТОДОМ 8ТТ НА СТРУКТУРУ СОЕДИНЕНИЯ
При сооружении и ремонте трубопроводов всё более широкое применение находит импульсная полуавтоматическая сварка в среде защитных газов методом STT (в переводе с английского «Surface Tension Transfer» - перенос силами поверхностного натяжения). В процессе сварки в зависимости от состояния дугового промежутка, связанного с ростом капли, её контакта с металлической ванной, образования шейки и отрыва от электродной проволоки, электроника ис точника питания резко или плавно изменяет величину сварочного тока. Технология STT обеспечивает мелкокапельный перенос электродного металла за счет сил поверхностного натяжения расплава. Эго позволяет резко снизить уровень разбрызгивания, излучения и дымообразования, повысить стабильность горения дуги при изменении вылета электрода во время сварки, уменьшить тепловложение в свариваемые детали, облегчить технику выполнения шва.
Качественное соединение можно получить, правильно выбрав комплекс параметров сварки: базовый ток /б, пиковый ток /п, длительность заднего фронта импульса («Tailout») Tl (его значение задается в интервале от 0 до 10 и характеризует скорость снижения тока от пикового до базового после начального момента ускоренного роста новой капли), скорость сварки V, скорость подачи электродной проволоки V3n и т.д. Однако в научнотехнической литературе приводятся лишь основные принципы выбора параметров сварки методом STT и не рассмотрено их влияние на тепловложение в металл и структуру соединения.
В работе рассчитали величины тепловложения в трубный металл при наплавке валика в нижнем положении на пластины стали 09Г2С размером 500^200x7 мм. Наплавку выполнили с помощью инверторного источника Invertec STT II сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм. Расход углекислого газа составил 12 л/мин. Для контроля электрических параметров сварки с выбранной частотой дис -
кретизации применили мобильный регистратор технологических процессов МРС-01, а для фиксации температурных полей на обратной поверхности пластины -тепловизор Fluke Ti30 со светофильтром. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-ЗМ при нагрузке на индентор 1,96 Н.
По регистрограммам, примеры которых приведены на рис. 1 (дробные значения величин по осям автоматически назначает программа «Telma Registrator», которая используется в приборе МРС-01 для обработки данных), оценили влияние базового тока (в интервале 45-70 А), пикового тока (в интервале 220-340 А) и величины Tailout (в интервале от 0 до 10) на суммарное тепловложение в металл Q.
Q = /СР • Ucp • t, (1)
где /ср и Ucp - средние значения сварочного тока и напряжения дуги; t - время.
Поскольку при сварке методом STT сила сварочного тока и напряжение дуги меняются значительно в течение короткого промежутка времени, расчет по
в г
Рис. 1. Примеры регистрограмм сварочного тока (а, б) и напряжения дуги (в, г) при сварке методом ЭТТ:
а, в - !„ =340 А, !б =57 А, Та11ои1 = 2; б, г - !„ =340 А, !б =57 А, Та11ои1 = 8
формуле (1) весьма затруднен. Для определения средних величин указанных параметров выполняли графическое интегрирование 10-15 регистрограмм, полученных при заданных параметрах сварки, делили полученную величину на длительность одного цикла каплеобразования, а затем вычисляли среднее арифметическое значение. Результаты расчета суммарного тепловложения приведены на рис. 2.
Параметр ТаіІоЩ вносит заметный вклад в значение !ср. В зависимости от длительности заднего фронта импульса величина силы тока после пикового значения изменяется по экспоненциальному закону:
/=/ed
(2)
ТІ
-о
-6
10
Іб' А.
Рис. 2. Влияниесилы базового токанасуммарное тепловложение в металл при формировании единичной капли при различныхзначенияхпикового тока:
а - !п = 220 А; б - !п = 270 А; в - !п = 340 А
где d - коэффициент, зависящий от величины Tailout.
В таблице приведены параметры формулы, рассчитанные средние значения тока /ср и процент их изменения по сравнению с величиной /ср при длительности заднего фронта импульса, соответствующего нулевому положению переключателя «Tailout». Максимальное увеличение среднего значения тока при изменении Tl от 0 до 10 составляет 5,4-27,4% (в зависимости от конкретных параметров /g и /„).
Следует отметить случаи совпадения или незначительного отличия величин суммарного тепловложения на рис. 2 при различных значениях /& /„ и Tl, т.к. электроника источника питания благодаря взаимосвязи с состоянием дугового промежутка автоматически регулирует в некоторых пределах заданные параметры, чтобы обеспечить благоприятные условия формирования сварочной ванны и облегчить процесс выполнения качественного шва.
В соответствии с полным факторным планом для линейной модели установили следующее уравнение регрессии, в котором все коэффициенты значимы:
Q = -10,335 + 0,135 • /б + 0,057• / + 0,737 • Tl. (3)
Модель адекватна, т.к. расчетный критерий Фишера меньше табличного для доверительной вероятности 0,95. Полученное уравнение позволяет оценивать суммарное тепловложение при сварке методом STT без проведения наплавки (с учетом тепла, затрачиваемого на образование и нагрев капли, а также теплопотерь с защитным газом, излучением, теплоотдачей с поверхностей пластины).
При определении распределения температурного поля на обратной стороне пластины в соответствии с известными апробированными методиками приняли схему движущегося точечного источника на поверхности плоского слоя. Отражение теплового потока от нижней и боковых поверхностей слоя учли введением фиктивных источников тепло ты, которые расположены по правилу зеркального отражения, т.е. расстояние от отражающей поверхности до фиктивного источника равно расстоянию до действительного источника:
bX
V
12 ■ж-Х- R
(4)
где q - тепловая мощность дуги; X - коэффициент теплопроводности материала пластины; Rt - расстояния от рассматриваемой точки до действительного и фиктив-ных источников теплоты; a - коэффициент температуропроводности; b - коэффициент температуроотдачи.
Расчеты показали, что максимальная температура на обратной поверхности пластины (противоположной месту горения дуги) при наплавке методом STT не превышает 770°С, что подтверждено термограммами, полученными с помощью тепловизора (рис. 3; различные температуры отображаются различным цветом, центральное светлое пятно соответствует нагреву выше 700°С). Анализ термограмм показал, что при наплавке методом STT протяженность теплового поля выше 700°С на ~ 25% меньше, чем при исполь-
Характерные параметры сварки методом ЭТТ
Сила Сила Величина їаііоиі
пикового базового 0 6 10
тока /„, А тока /б, А д /ср д /ср % д /ср %
45,00 2,78 81,14 0,77 85,74 5,36 0,51 88,94 8,76
220,00 57,00 2,46 89,74 0,73 104,43 14,07 0,51 108,97 17,65
70,00 2,11 105,38 0,62 117,63 10,42 0,39 121,18 13,05
45,00 3,06 93,34 0,85 98,66 5,38 0,58 105,15 11,23
270,00 57,00 2,57 102,34 0,70 109,63 6,65 0,49 117,03 12,55
70,00 2,45 106,19 0,62 119,96 11,00 0,44 125,78 15,57
45,00 2,73 102,60 0,74 110,60 7,23 0,52 125,25 18,08
340,00 57,00 2,97 103,46 0,72 123,54 16,25 0,45 139,24 25,70
70,00 2,56 106,59 0,81 124,24 14,21 0,46 146,86 27,42
зовании ручной дуговой сварки (РДС). Эго обусловлено повышенной эффективной тепловой мощностью, передаваемой в металл, по сравнению с методом 8ТТ. Уменьшение зоны термического воздействия, в свою очередь, приводит к снижению остаточных напряжений в сварном шве и околошовной зоне.
На рис. 4 представлены продольные шлифы сварных соединений, полученных при различных параметрах наплавки методом 8ТТ. На снимках четко раз -личаются три участка:
а) основной металл (1), имеющий мелкозернистую, строчечную ферритно-перлитную структуру с микротвердостью от 181 до 195 МПа; высота участка при увеличении скорости сварки почти не изменяется и составляет порядка 3,5 мм;
б) зона термического воздействия, состоящая из двух полос: основной (2), представленной мелкозернистой ферритно-перлитной структурой (микротвердость 162-192 МПа), которая при увеличении скорости сварки уменьшается от 1,5 до 0,5 мм; и полосой нормализации (3), структура которой состоит из перлита и небольшого количества феррита с микротвердостью от 184 до 220 МПа; появление такой структуры можно связать с охлаждающим воздействием ос -
новного металла;
в) металл шва (4), который имеет структуру верхнего бейнита с полосами феррита и перлита с микротвердостью от 220 до 265 МПа; изменение высоты участка 4 происходит, в основном, за счет изменения высоты наплавленного валика.
Рассмотренное строение характерно для всех исследованных образцов. Различие состоит только в изменении высоты участков. На основе экспериментальных данных определили влияние параметров наплавки на величину зоны термического воз -действия (ЗТВ).
Увеличение скорости сварки с 15 до 22 м/ч вызывает значительное уменьшение ЗТВ, а также уменьшение полосы нормализации металла вплоть до полного исчезновения.
Изменение силы базового тока в интервале от 50 до 70 А вызывает одновременное изменение размеров всех участков. С увеличением 1е уменьшается полоса нормализации вплоть до небольших скоплений, а участок 4 со структурой верхнего бейнита увеличивается, что, несомненно, связанно с увеличением тепловложения в металл от электрической дуги.
При изменении силы пикового тока с 300 до 400 А наблюдали незначительное изменение глубины участка основного металла, которое составило порядка 0,5 мм. Это обусловлено минимальным влиянием данного параметра на изменение суммарного тепловложения в свариваемый материал. Повышение 1„ приводит к увеличению длины дуги и формированию более плоской внешней поверхности шва.
Увеличение скорости подачи сварочной проволоки
Рис. 3. Термограммы распределения температуры на обратной стороне пластин стали 09Г2С при наплавке валика методами ЭТТ (а) и РДС (2)
Рис. 4. Микрофотографии сварных соединений, выполненных методом ЭТТ при /в = 55 А, /„ = 400 А,
Т1 = 6, V*. = 120 м/ч, V = 20 м/ч (а) и V = 15 м/ч (б)
со 110 до 130 м/ч каких-либо значимых изменений структуры не вызвало. Величина Ут не влияет на суммарное тепловложение, т.к. электроника источника питания автоматически регулирует напряжение дуги при изменении скорости подачи сварочной проволоки.
Механические свойства обусловлены структурой металла и в среднем составляют: предел прочности на разрыв свр=509 МПа, условный предел текучести с02=335 МПа, твердость 50 НЯС.
Выводы
1. По регистрограммам электрических параметров импульсной сварки методом 8ТТ установили уравнение регрессии, по которому можно определить суммарное тепловыделение в зависимости от длительно -сти заднего фронта импульса, базового и пикового токов без проведения эксперимента, что позволяет
подбирать параметры сварки с ограниченным тепло-вложением в свариваемый металл.
2. Расчеты показали, что максимальная температура на обратной поверхнос ти плас тины при наплавке методом STT не превышает 770°С, что подтверждено термограммами, полученными с помощью тепловизора Fluke Ti30. Протяженность теплового поля выше 700°С при наплавке методом STT в большинстве случаев на 25% меньше, чем при использовании ручной дуговой сварки.
3. Экспериментально установлено, что основное влияние на изменение структуры наплавленного и основного металла оказывают скорость сварки и сила базового тока. Такие параметры, как сила пикового тока и скорость подачи электродной проволоки, оказывают минимальное влияние.
УДК 621.777:669.231.7
Рудницкий Э.А, Довженко Н.Н., Ходоков Б. П.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НОВЫХ ПАЛЛАДИЕВЫХ СПЛАВОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ОБРАБОТКИ
Возрастающий интерес ювелирной промышленности к палладию вызван возможностью использования данного элемента как альтернативного материала «белому золоту» и платине. Палладий - новый металл в ювелирной промышленности, при этом, обладая сходными эстетическимисвойствами (цвет, блеск), аффинированный палладий ниже по стоимости в сравнении с золотом и платиной. Низкая плотность в сравнении с аналогами делает изделия из палладия и его сплавов легче, ориентировочно, на 35-45% изделий из золота и платины в зависимости от легирующих компонентов. По физико-химическим и механическим свойствам палладиевые сплавы практически не уступают изделиям из платины и золота, а некоторые характеристики
Составы экспериментальных сплавов палладия 850 пробы
Номер спла- ва Содержание компонентов, % (масс.)
Пал- ладий Се- ребро Золо- то Медь Родий Мо- либден Титан
1 85,0 15,0 - - - - -
2 85,0 13,0 2,0 - - - -
3 85,0 3,0 2,0 10,0 - - -
4 85,0 13,0 - 2,0 - - -
5 85,0 2,0 - 13,0 - - -
6 85,0 14,8 - - - 0,3 -
7 85,0 14,5 - - 0,5 - -
8 85,0 14,2 - - 0,5 0,3 -
9 85,0 12,5 2,0 - 0,5 - -
10 85,0 12,2 2,0 - 0,5 0,3 -
11 85,0 3,0 2,0 9,2 0,5 0,3 -
12 85,0 12,5 - 2,0 0,5 - -
13 85,0 12,2 - 2,0 0,5 0,3 -
14 85,0 2,0 - 12,2 0,5 0,3 -
15 85,0 - 2,0 13,0 - - -
16 85,0 - 2,0 12,0 0,5 - 0,5
даже превышают их. Так, например, повышенная твердость палладиевых сплавов придает повышенную износостойкость ювелирным изделиям. Кроме того, палладий полезен для организма человека, так как является гипоаллергенным металлом.
Несмотря на преимущества сплавов на основе палладия, они среди ювелиров России пока пользуются ограниченным спросом. Эю объясняется тем, что на данный момент промышленные технологии по изготовлению ювелирных изделий и полуфабрикатов из палладия и его сплавов построены на основе технологий обработки золото- и платиносодержащих сплавов. Основное оборудование, которое применяется на современном производстве, предназначено для обработки золота и платины. Отсутствие новых технологий для изготовления конечных изделий из палладиевых сплавов и оборудования для их реализации ведет к нарушению и нестабильности технологического процесса, что снижает его эффективность.
Таким образом, актуальной является задача раз -работки новых сплавов и эффективных технологии производства проволок тонких сечений из новых сплавов на основе исследований их свойств и структуры, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к полуфабрикатам для автоматной вязки цепей.
Критериями этих разработок является повышенный уровень механических свойств (например, относительное удлинение до 50%), высокая коррозионная стойкость и отражательная способность, хорошая обрабатываемость и полировка, отсутствие цветов побежалости, возможность аргонно-дуговой сварки проволоки при изготовлении цепей.
Технология получения новых сплавов включает в себя использование легирующих элементов в виде серебра, золота, меди, родия, молибдена, титана в различной их комбинации. Состав экспериментальных палладиевых сплавов с содержанием палладия 85%
