CC BY
4
РАЗРАБОТКА
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ
DEVELOPMENT OF FUNCTIONAL NANOMATERIALS
BASED ON NANOPARTICLES AND POLYMER NANOSTRUCTURES
DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-64-70 УДК: 621.791:338.45
Эффективность сушки и прокалки сварочных электродов в печах с использованием излучения наноструктурированной функциональной керамики (НФК)
Р.М. Саидов1, a ©, Р.Х. Рахимов1, b ©, Б.Д.угли Юсупов2, c ©, М.К.Б.угли Холдоров3, d ©
1 Институт материаловедения научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан,
г. Ташкент, Республика Узбекистан
2 Андижанский машиностроительный институт, г. Андижан, Республика Узбекистан
3 Ферганский университет,
г. Фергана, Республика Узбекистан
a E-mail: saidov_r@yahoo.com b E-mail: rustam-shsul@yandex.com c E-mail: yusupov.b.d@mail.ru d E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Аннотация. В настоящей статье приведены результаты исследований по изучению влияния различных методов сушки и прокалки сварочных электродов с покрытием кисло-рутилового типа стандартной технологией в электрических печах и в печах с использованием излучения наноструктурированной функциональной керамики (НФК) на сварочно-технологические свойства сварочных электродов. По результатам исследований выявлено улучшение сварочно-технологических свойств при сушке и прокалке сварочных электродов в печи с использованием излучения НФК. Прокалка сварочных электродов с использованием излучения НФК, позволяет получить качественные сварочно-технологические свойства покрытий и без применения естественной сушки после нанесения обмазки на сварочную проволоку. Это позволяет проводить термическую обработку сварочных электродов с большой экономией потребления электроэнергии и снижения времени прокалки по сравнению со стандартной технологией.
Ключевые слова: ручная дуговая сварка, сварочные электроды, сушка и прокалка электродов, импульсное излучение, наноструктурированная функциональная керамика (НФК), сварочно-технологические свойства электродов
Благодарность. Настоящая работа выполнена в рамках прикладного проекта Государственной научно-технической программы Республики Узбекистан за № ФА-Атех-2018-32 на тему «Разработка импортозамещающих сварочных электродов на базе местного сырья для сварки конструкционных сталей» и фундаментального проекта Государственной научно-технической программы Республики Узбекистан за № ФА-Ф-4-005 «Новые принципы генерации инфракрасного импульсного излучения функциональной керамикой и его взаимодействие с веществом».
DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-64-70
Efficiency of drying and calcining of welding electrodes
in furnaces using radiation from nanostructured functional ceramics (NFC)
R.M. Saidov1a ©, R.Kh. Rakhimov1 b ©, B.D.ugli Yusupov2 c ©, M.K.B.ugli Kholdorov3 d ©
1 Institute of Materials Science, SPA "Physics-sun", Academy of Sciences of Uzbekistan, Tashkent, Republic of Uzbekistan
2 Andijan Machine-Building Institute, Andijan, Republic of Uzbekistan
3 Fergana University,
Fergana, Republic of Uzbekistan
a E-mail: saidov_r@yahoo.com b E-mail: rustam-shsul@yandex.com c E-mail: yusupov.b.d@mail.ru d E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Abstract. This article presents the results of research on the influence of various methods of drying and calcining welding electrodes coated with acid-rutile type standard technology in electric furnaces and in furnaces using nanostructured functional ceramics (NFC) radiation on the welding and technological properties of welding electrodes. According to the results of research, the improvement of welding and technological properties during the drying and calcining of welding electrodes in a furnace using radiation with NFC was revealed. Calcination of welding electrodes using NFC radiation allows to obtain high-quality welding and technological properties of coatings without the use of natural drying after coating the welding wire. This makes it possible to perform heat treatment of welding electrodes with great savings in power consumption and reduced calcination time compared to standard technology.
Keywords: manual arc welding, welding electrodes, drying and calcining of electrodes, radiation from nanostructured functional ceramics (NFC), welding and technological properties of electrodes
Acknowledgements. This work was carried out within the framework of the research project of the State scientific and technical program of the Republic of Uzbekistan No. FA-Ateh-2018-32 on the theme "Development of import-substituting welding electrodes based on local raw materials for welding of a structural steels" and fundamental project of the State scientific and technical program of the Republic of Uzbekistan No. FA-F-4-005 "New principles for the generation of infrared pulsed radiation by functional ceramics and its interaction with matter".
Г
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Саидов Р.М., Рахимов Р.Х., Юсупов Б.Д.угли, Холдоров М.К.Б.усти. Эффективность сушки и прокалки сварочных электродов в печах с использованием излучения наноструктуированной функциональной керамики (НФК) // Computational nanotechnology. 2020. Т. 7. № 2. С. 64-70. DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-64-70
FOR CITATION: Saidov R.M., Rakhimov R.Kh., Yusupov B.D.ugli, Kholdorov M.K.B.ugli. Efficiency of drying and calcining of welding electrodes in furnaces using radiation from nanostructured functional ceramics (NFC). Computational nanotechnology. 2020. Vol. 7. No. 2. Pp. 64-70. (In Russ.) DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-64-70
ВВЕДЕНИЕ
Качество процесса дуговой сварки покрытыми электродами, зависит от нескольких факторов, одним из которых является наличие влаги в электродных покрытиях. Наличие влаги в покрытиях сварочных электродов и образующиеся при ее разложении водород и кислород вызывают неста-
бильное горение дуги, повышенное разбрызгивание расплавленного металла, неудовлетворительное формирование шва, образование в сварных соединениях пор, шлаковых включений и трещин [1-4].
Поэтому большое значение, при изготовлении сварочных электродов и их подготовке к сварке, уделяют сушке и прокалке обмазки покрытий в целях полного удаления влаги.
DEVELOPMENT OF FUNCTIONAL NANOMATERIALS BASED ON NANOPARTICLES AND POLYMER NANOSTRUCTURES
Влажность покрытия обычно определяют путем доведения навески покрытия, снятого с электрода, до постоянного веса выдержкой в термостате при 105-110 °C.
По стандартной технологии электроды после нанесения покрытия опрессовкой подвергаются воздушной сушке в течение не менее 2 ч, а затем подвергаются прокалке в печах при высоких температурах. Температура прокалки сварочных электродов зависит от их типа покрытия. Электроды с ру-тиловым и кислым покрытиями содержат в рецептуре органику (целлюлоза, крахмал и др.), создающую газовую защиту сварочной ванны. В связи с этим температура прокалки таких электродов не должна превышать 185-190 °С. Влажность покрытия указанных электродов, определяемая при 180 ± 10 °С, должна составлять не более 0,3-0,4%. [5-8]
Однако сушка и прокалка по стандартной технологии требует большого количества времени и затрат электроэнергии, что повышает себестоимость производства сварочных электродов, и соответственно, их стоимость.
Известны работы [9-15], в которых представлены примеры применения ИК-техники в народном хозяйстве, и в частности, при сушке и прокалке различных материалов с помощью генерации импульсного излучения наноструктурированной функциональной керамикой (НФК) [14; 15], позволяющие существенно снизить расход энергии и повысить качество конечного продукта. Так, в работе [16] установлено, что метод прокалки сварочных электродов с использованием излучения НФК позволяет получить качественные сварочно-технологические свойства покрытий,
при экономии потребления электроэнергии и снижении времени прокалки по сравнению со стандартной технологией прокалки.
Целью настоящей работы являлось проведение сравнительных испытаний процессов сушки и прокалки сварочных электродов рутилово-смешанного вида различными способами и выявление влияния этих методов на качество сушки и прокалки сварочных электродов и их сварочно-технологические свойства.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В ходе реализации настоящих исследований проводилось изучение влияния методов сушки и прокалки сварочных электродов с кисло-рутиловым типом покрытия марки ИМАН-3/К-Р, разработанного Институтом материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, на сварочно-технологические свойства сварочных электродов.
Покрытия на сварочных электродах получали методом окунания в обмазочную массу, полученную в результате смешивания исследуемых соединений (порошок с гранулометрическим составом менее 100 мкм) с жидким стеклом (плотностью 1,4 гр/см3) в соотношении, способствующим образованию на поверхности металлического стержня слоя обмазки, толщиной 0,8-1,2 мм. После нанесения обмазки, электроды сушились и прокаливались различными методами, представленными в табл. 1.
Table 1
Welding electrodes heat treatment methods and parameters
№
Heat treatment methods
Furnace type
Temperature, °С
Heat treatment duration, min
Weight loss,
%
Appearance of the electrode surface after heat treatment
Natural drying at room temperature
25
1440
0,87
KP
Natural drying at room temperature + calcining in electric furnace (Fig. 1a)
25 + 180
1440 + 120
0,87 + 1,15
IK-1
Furnace with the use of radiation NFC (Fig. 1b)
150
40
1,36
IK-2
Natural drying at room temperature + calcination using NFC (Fig. 1b)
25 + 150
1440 + 40
0,87 + 0,96
1
K
2
3
4
y'iV \\ > 'f5§
Fig. 1. Furnace for welding electrodes heat treatment: a - electric furnace; b - furnace with the use of radiation NFC
В результате сушки и прокалки электродов по методам и режимам, указанным в табл. 1, выявлено отличие внешнего вида поверхности электродного покрытия и потери его веса в зависимости от метода и режимов прокалки электродов. Так, при естественной сушке (провяливание) (К) и прокалке в электрической печи с использованием излучения НФК без естественной сушки (ИК-1), поверхность покрытия имеет равномерный светло-серый матовый цвет с тонкими прожилками светло-фиолетового цвета, а потеря веса покрытия, полученного по методу ИК-1 почти в два раза больше, чем при естественной сушке (К). Внешний вид покрытий электродов, полученных при термообработке методами КП и ИК-2 (см. табл. 1) имеет блестящую поверхность с равномерным светло-серым цветом с еле заметными тонкими прожилками светло-фиолетового цвета.
На рис. 2 представлен график потери веса покрытия сварочного электрода в зависимости от методов термообработки и времени экспозиции. В соответствии с полученными результатами, самым эффективным методом по удалению влаги из покрытия является метод ИК-1, при котором электродное покрытие приобретает постоянный вес при выдержке под воздействием излучения НФК до 25 мин (1,36%). При термообработке электродов по методу ИК-2 постоянный вес покрытия достигается при времени экспозиции до 40 мин (0,96%), по методу КП до 120 мин (1,15%) и до 300 мин (0,87%) при естественной сушке (К).
о-о
J J
-с
сю
1,4 ! 1,2 I 1,0 1 0,8 0,6 0,4 0,2
____ i
^WWb-i
Natur ■al drying at room temp- trature (K)
-l_l- calculation using nfc (ik-1) Calculation in electric furnace (KP) - -O- Calculation using NFC (IK-2)
20
40
60 80 100 Exposure time, min
120
140
В качестве сварочно-технологических свойств сварочных электродов изучались такие свойства, как стабильность горения дуги сварочного электрода ¿рдд, формирование наплавленной точки 0свт, величина козырька или чехла на торце электрода hк и коэффициенты расплавления ар, наплавки ан и потерь на угар и разбрызгивание ф.
Наплавка осуществлялась на пластину из стали СтЗсп, толщиной 5 мм, при помощи выпрямителя инверторного типа марки Jasic Т^-200Р. Питание сварочной дуги осуществлялось на переменном токе при величине силы сварочного тока 140А и диаметре стержня электрода 4 мм.
Показателем стабильного горения дуги сварочных электродов является разрывная длина дуги ¿рдд, которую определяли по методике, описанной в работе [16; 17]. Результаты исследований влияния методов термообработки на величину ¿рдд приведены в табл. 2.
Исследование влияния методов термической обработки прокалки на склонность сварочных электродов к образованию козырька оценивали по высоте козырька или толщине чехла на торце электрода hк (см. табл. 2).
Формирование наплавленной точки 0свт оценивали по форме и диаметру наплавленной точки (см. табл. 2). Правильное формирование наплавленной точки без таких наружных дефектов как подрезы, прожоги, наплывы трещины и поры свидетельствует о качественном формировании наплавленного металла.
Основными величинами, характеризующими процесс сварки и наплавки, являются [18]:
• коэффициент расплавления металла ар;
• коэффициент наплавки ан;
• коэффициент потерь Ф.
Для оценки величины этих потерь вследствие разбрызгивания, окисления, испарения (угар) за время горения дуги используется, так называемый коэффициент потерь Ф и определяется по формуле:
^ = 100с
(1)
Коэффициент расплавления металла ар показывает, какое количество электродного металла расплавляется в единицу времени на один ампер сварочного тока, и определяется формулой:
G.
11
г/(А • ч),
(2)
Fig. 2. Dependence of weight loss of welding electrode coating from drying methods and exposure time
где вр - масса расплавленного за время t электродного металла, г; I - величина сварочного тока, А; £ - время горения дуги, ч.
а
DEVELOPMENT OF FUNCTIONAL NANOMATERIALS BASED ON NANOPARTICLES AND POLYMER NANOSTRUCTURES
Table 2
Results of research of welding and technological properties of welding electrodes depending
on the heat treatment method
№ Heat treatment methods Breaking length of the arc Lbla, mm Visor at the end of the electrode h , mm v' View of the electrode visor Formation of the deposited metal 0dp, mm View of the deposited metal
1 К 6,0 0,4 Г 7,6 M
2 KP 14,0 1,4 H 12,1
3 IK-1 12,5 1,4 F 12,8
4 IK-2 13,0 0,4 12,6
Note. Each value shown in the table corresponds to the arithmetic mean of the results of three measurements.
Table 3
Results of research of welding and technological properties of welding electrodes depending
on the heat treatment method
Heat treatment methods Welding current value, А Arcing time, sec Weight of the molten metal Gmm, gr Weight of deposited metal Gdm, gr Coefficient of melting am, gr/А • h m Coefficient of surfacing as, gr/А • h Coefficient of loss ф, %
К 140 3 0,6 0,41 5,14 3,51 31,7
KP 7 1,42 1,08 5,21 3,97 23,8
IK-1 5 1,38 1,13 7,08 5,81 17,9
IK-2 6,5 1,19 0,98 4,71 3,88 17,6
Note: Each value shown in the table corresponds to the arithmetic mean of the results of three measurements.
Коэффициент расплавления зависит от материала электрода, состава его покрытия, рода, полярности и плотности тока. Кроме того, в процессе сварки электрод нагревается, что также сказывается на интенсивности расплавления электродного металла. До начала сварки электрод имеет комнатную температуру, к концу сварки он может нагреться до 500 °С.
Для оценки процесса наплавки применяется коэффициент наплавки а , определяемый по формуле:
а=-
А 11
г/(А • ч),
(3)
где вн - масса наплавленного электродного металла за время г, г; I- величина сварочного тока, А; г - время горения дуги, ч.
35
30
=5 25
20
15
3 10
к
KP
IK-1
IK-2
14-
13
12,8 12,6
31,7
m
5,61
3,48
L»„ mm
am, gr/A ■ h
as, gr/A - h
Ф, %
Fig. 3. Welding and technological properties of welding electrodes depending on the methods of drying and calcining
5
0
Коэффициент потерь Ф зависит от состава электрода и его покрытия, от режима сварки и вида сварного соединения. Так, например, коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги.
Результаты исследований сварочно-технологических свойств сварочных электродов «ИМАН-3/К-Р» в зависимости от метода и режимов прокалки представлены в табл. 2, 3 и на рис. 3.
В соответствии с этими результатами, наблюдается благоприятное влияние термической обработки сварочных электродов «ИМАН-3/К-Р» импульсным излучением нано-структурированной функциональной керамикой ИК-1 и ИК-2 (рис. 3).
Сравнительные результаты прокалки электродов «ИМАН-3/К-Р» в печи с использованием излучения НФК (ИК-1 и ИК-2) и в электрической печи по стандартному режиму (КП) показали на улучшение сварочно-технологических свойств, кроме разрывной длины дуги, в печи с использованием излучения (см. рис. 4). Например, в наплавленных точках, полученных электродами, прокаленными по режимам ИК-1 и ИК-2, наблюдаются самые низкие значения толщины чехла на торце электрода и коэффициента потерь на угар и разбрызгивание. Электроды, прокаленные по стандартной технологии (КП) имеют значения коэффициента потерь на разбрызгивание Ф более 20%. В соответствии с требованиями к сварочным электродам по этому показателю, их использование нецелесообразно. Только величина разрывной длины дуги незначительно выше у электродов, прокаленных по стандартному режиму (КП).
Таким образом, полученные результаты позволяют констатировать, что новый метод прокалки сварочных электродов с использованием излучения НФК позволяет получить качественные сварочно-технологические свойства покрытий, при экономии потребления электроэнергии и снижении времени прокалки по сравнению со стандартной технологией прокалки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с полученными данными, термическая обработка сварочных электродов с покрытием кисло-рути-лового типа в печах с использованием излучения нанострук-турированной функциональной керамикой (НФК) позволяет получать качественные электродные покрытия с хорошими сварочно-технологическими свойствами. При этом, эффективное действие прокалки с использованием излучения наблюдается и без применения естественной сушки после нанесения обмазки на сварочную проволоку.
Установлено, что новый метод прокалки сварочных электродов с использованием излучения НФК позволяет получить качественные сварочно-технологические свойства покрытий, при экономии потребления электроэнергии и снижении времени прокалки по сравнению со стандартной технологией прокалки.
Литература / References
1. KhrenovK.K. Welding, cutting, soldering. Moscow: Mashinostroenie, 1973. 408 c.
2. Potapov N.N. Welding materials for arc welding. Moscow: Mechanical Engineering, 1993. 225 р.
3. Welding and materials to be welded. Vol. 2: Technology and equipment. 3-ht ref. ed. V.M. Yampolsky (ed.). Moscow: Publishing House of MSTU named after N.E. Bauman, 1998.
4. Urbanovich N.I. Welding consumables. Minsk: BNTU. 2019, 294 p.
5. Makarov S.V., Sapozhkov S.B. Production of electrodes for manual arc welding using nanodisperse materials. World Applied Sciences Journal. 2014. No. 29 (6). Pp. 720-723.
6. Makarov S.V. Heat treatment of welding electrodes. In the Proceedings of the XII International Scientific and Practical Teleconference "Technical Sciences - from Theory to Practice". Novosibirsk: Siberian Association of Consultants, 2012. Pp. 44-50.
7. Makarov S.V. Heat treatment of welding electrodes. Collection "Science and Technology". Section 3: Mechanical Engineering and Mechanical Engineering. 2012. Pp. 44-49.
8. RD 34.10.124-94. Instructions for the preparation and storage of welding materials. 1995. 12 p.
DEVELOPMENT OF FUNCTIONAL NANOMATERIALS BASED ON NANOPARTICLES AND POLYMER NANOSTRUCTURES
9. Levitin I.B. The use of infrared technology in the national economy. Leningrad: Energoizdat, 1981. P. 264.
10. Gossorg J. Infrared thermography. Moscow: Mir, 1988. 402 p.
11. Salikhov T.P., Kan V.V., Urazaeva E.M. et al. Chemical-thermal method for processing industrial waste on solar furnaces. Solar Engineering. 2005. No. 2. Pp. 52-56.
12. Pippard A. Oscillation physics. Transl. from English. Moscow: Higher School, 1989. 264 p.
13. Fomenko V!S. Emission properties of materials. Directory. Kiev: Nau-kova Dumka, 1970, 145 p.
14. Rakhimov R.Kh. Generation and properties of infrared radiation. Comp. nanotechnol. 2019. No. 2. Pp. 95-100. DOI: https://doi. org/10.33693/2313-223X-2019-6-2-101-137
15. Rakhimov R.K., Kim E.V. USA Patent "Treatment of materials with infrared radiation", # 5472720 from 12/05/1995.
16. Saidov R.M., Rakhimov R.Kh., Yusupov B.D., Kholdorov M.K. A new method of drying and calcining welding electrodes using emitters made of functional ceramics. ComputationalNanotechnology. 2020. No. 1. Pp. 44-52. (In Russ.)
17. Litvinova T.R., Elsukov S.K., Antipov I.S. et al. Study of the welding and technological properties of coated electrodes for welding low-alloy high-strength steels. International Research Journal. 2017. No. 05. Part 3. Pp. 71-75.
18. Gevorgyan V.G. Fundamentals of welding. Moscow: Higher School, 1975. 168 p.
Статья поступила в редакцию 11.05.2020, принята к публикации 20.06.2020 The article was received on 11.05.2020, accepted for publication 20.06.2020
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Саидов Рустам Маннапович, кандидат технических наук; старший научный сотрудник Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0126-5273. Scopus Author ID: 6602574798. E-mail: saidov_r@yahoo.com Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; зав. лабораторией № 1 Института материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid. org/0000-0001-6964-9260. E-mail: rustam-shsul@yan-dex.com
Юсупов Бекзод Дилмурод угли, ассистент кафедры технологических машин и оборудования Андижанского машиностроительного института. Андижан, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2066-1872. E-mail: yusupov.b.d@mail.ru Холдоров Мухаммад Карим Ботирали угли, преподаватель Ферганского университета. Фергана, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1526-0481. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
ABOUT THE AUTHORS
Rustam M. Saidov, Cand. Sci. (Eng.); leader research at the Institute of Material Sciences, SPA "Physics-Sun" Academy of Science of Uzbekistan. Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0126-5273. Scopus Author ID: 6602574798. E-mail: saidov_r@ yahoo.com
Rustam Kh. Rakhimov, Dr. Sci. (Eng.); Head of laboratory No. 1 at the Institute of Materials Science, SPA "Physics-sun", Academy of Sciences of Uzbekistan. Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6964-9260. E-mail: rustam-shsul@yandex.com Bekzod D. ugli Yusupov, assistant teacher at the Department of Technological Machines and Equipment, Andijan Machine-Building Institute. Andijan, Republic of Uzbekistan. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2066-1872. E-mail: yusupov.b.d@mail.ru Muhammad K.B. ugli Xoldorov, teacher at the Fergana University. Fergana, Republic of Uzbekistan. ORCID: https:// orcid.org/0000-0003-1526-0481. E-mail: rustam-shsul @yandex.com
