Научная статья на тему 'Электродуговая сварка толстолистовой среднелегированной стали с программированием параметров режима'

Электродуговая сварка толстолистовой среднелегированной стали с программированием параметров режима Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

CC BY
71
2
Поделиться

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Серенко Александр Никитич, Шаферовский Виктор Александрович, Патрикеев Александр Иванович, Савченко Анатолий Иванович

Разработан и исследован процесс электродуговой механизированной сварки под флюсом с программированием режима высокопрочной среднелегированной стали толщиной до 50 мм. Проведены комплексные механические и металлографические исследования и испытания сварных образцов, позволившие выбрать оптимальный способ программирования параметров режима сварки.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Серенко Александр Никитич, Шаферовский Виктор Александрович, Патрикеев Александр Иванович, Савченко Анатолий Иванович,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Электродуговая сварка толстолистовой среднелегированной стали с программированием параметров режима»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УНШЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип.№12

УДК 621.791.048

Серенко А.Н.1, Шаферовский В.А.2, Патрикеев А.И.3, Савченко А.И.4

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ С ПРОГРАММИРОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА

Разработан и исследован процесс электродуговой механизированной сварки под флюсом с программированием режима высокопрочной среднелегированной стали толщиной до 50мм. Проведены комплексные механические и металлографические исследования и испытания сварных образцов, позволившие выбрать оптимальный способ программирования параметров режима сварки.

В настоящее время при сварке толстостенных корпусных конструкций из среднелегиро-ванных высокопрочных сталей (типа 24Ш) используют, как правило, механизированную многопроходную сварку под флюсом, в защитных газах и, в некоторых случаях, ручную электродуговую сварку с применением специальных электродов.

Упомянутым способам присущи недостатки, связанные с необходимостью выполнения объёмной разделки кромок, что приводит к большому расходу сварочных материалов и электроэнергии, а также к необходимости выполнения послесварочной термообработки.

Попытки повысить эффективность процесса сварки путем уменьшения числа проходов приводят к увеличению дефектов в сварном шве, типа усадочных трещин, шлаковых и газовых включений, а также к снижению механических свойств шва и околошовной зоны.

Перспективным направлением развития технологии сварки толстолистового металла является способ электродуговой сварки под флюсом с программированием параметров режиш (ППР) [1] который обеспечивает высокую производительность процесса при минимальных энергетических затратах Для его реализации используются серийно выпускаемое сварочное оборудование, дополненное программирующим блоком, включаемым в систему управления.

В отличии от обычной дуговой сварки способ с ППР включает ряд дополнительных действий, обеспечивающих циклическое изменение величины сварочного тока по заданному закону при одновременном циклическом перемещении дуги в плоскости свариваемых кромок, синхронным с изменением тока. Для жесткой синхронизации отдельных операций авторами разработан и использован программный блок, коммутируемый со сварочной головкой промышленного изготовления. Такая схема обладает универсальностью и достаточной гибкостью, что позволяет осуществить различные схемы программирования для осуществления однопроходной сварки конструкций с толщиной соединяемых элементов 40...80 мм.

При разработке технологии однопроходной сварки конструкций из среднелегированной высокопрочной стали требовалось обеспечить как высокое качество металла сварного шва, так и более равномерное формирование лицевой поверхности шва с обеспечением плавного ао перехода к основному металлу. Это стало возможным посредством внесения ряда изменений в ранее разработанные схемы программирования [2-6], в частности, были дополнительно ведены поперечные колебания электрода.

Регулирование тока в различные периоды времени цикла предлагаемого процесса сварки совместно с всявратнс-посгупательными перемещениями сварочной головки и соответствующими поперечными колебаниями электрода относительно стыка с определенной частотой и амплитудой в заданные периоды времени создают условия активного воздействия на геометрические размеры усиления шва и качество формирования его поверхности.

1 Ш ТУ, канд. техн. наук, проф.

2 Ш ТУ, канд. техн. наук, доцент.

3 1111 У, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

4ВНИИ стали, канд. техн. наук, ст. науя. сотр.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Характер перемещения дуги в продольном сечении свариваемых листов, толщиной 45 мм представлен на рис. 1. Колебания электрода с частотой f и амплитудой А осуществляются на участке циклограммы от точки 6 до точки 7.

Перемещение сварочной головки по направлению сварки на шаг, равный 20-40 диаметрам электрода осуществляли при минимальных сварочном токе и скорости сварки (т. 6-7, рис. 1). Формирование корневых участков шва происходило при максимальном токе и минимальной скорости сварки (т. 2-3), а центральных (по толщине свариваемого металла) при средних значениях сварочного тока, перемещая головку назад со скоростью в 1,2-2,0 раза превышающую минимальную (т. 4-5).

Для проведения исследований были из-

готовлены образцы из стали 24Ш толщиной 40 и 45 мм размером 140 х 500 мм. Подготовка кромок под сварку осуществлялась газовой резкой с последующей зачисткой кромок. Подготовленные под сварку пластины собирались при помощи выводных планок с зазором нижних кромок 7+1 мм и углом их раскрытия 12 град.(6 град, на сторону). Сварка производилась на флюсомедной подкладке с применением подкладочного флюса АН-22М.

Для сварки применяли сварочную проволоку Св-08Х20Н9Г7Т диаметром 5 мм и флюс АН-22М, обладающий хорошими технологическими свойствами и обеспечивающий стабильный процесс сварки с I'll IP.

Из сваренных пластин были вырезаны образцы для металлографических исследований и проведения механических испытаний на ударную вязкость а также на растяжение сварного шва и соединения в целом. Подготовка образцов и испытания проводились согласно ГОСТ 6996-66 и ОСТа B3-4302-80.

Параметры режима сварки с применением колебаний электрода [3] (для толщины металла 40-45 мм при диаметре электрода, равного 5 мм) были следующими: величина сварочного тока: 1^=550-600 A, 1СТ 1000-1100 А; - 1500-1600 А, напряжение на дуге: Utnill= 44 В; Ucp= 46 В; Umu = 48 В. Значения временных составляющих цикла сварки: длительность сварки на максимальном токе, x^S с; длительность сварки на среднем токе, тг-4 с; длительность сварки на минимальном токе, т3 = 8 с; длительность перехода на различные значения сварочного тока, Дт = 0,4 с.

Скорость перемещения сварочного аппарата: вперед (ть т3), V„=27 м/ч, назад, (т^), V„ = 54 м/ч; средняя скорость сварки за один проход - Vn. ^ = 11 м/ч; амплитуда колебаний электрода - А = 35 мм; частот колебаний электрода - f — 0,8 1/с; шаг перемещения сварочного аппарата: вперед по направлению сварки, Li = 120 мм; назад - Ьг - 60мм.

На рис.2, приведен макрошлиф соединения из стали 24Ш толщиной 45 мм, выполненного сваркой с ППР (а) и внешний вид лицевой поверхности сварного шва (б).

Микроструктуры верхней, средней и корневой части сварного соединения, а так же зоны сплавления приведены соответственно на рис.3, 4 и 5.

Анализ микроструктуры зоны сплавления показал, что линия сплавления практически не имеет, четкой границы между металлом шва и основным металлом, что указывает на значительное развитие диффузионных процессов в ней. Микротвердость структуры переходного слоя от 4000 до 5250 Н/мм2. Ширина ЗТВ по высоте переменная и в средней части образца (рис.2.) равна 14 мм, что сопоставимо с размерами ЗТВ при многопроходной сварке.

В ЗТВ можно условно выделить три участка. Так, участок полной перекристаллизации имеет ширину до 2,5 мм. Макроструктура этого участка представляет собой крупноигольчатый мартенсит и судя по микротвердости (4600-4700 Н/мм2) - прошедший отпуск.

0 I 2 | ► | | 1-в» 6 '5 щ 41 -<>7(1) 1 18(2) J

* 3,

Lj=L,/2 L,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис.1-Характер перемещения дуги в продольном сечении свариваемых образцов толщиной 45 мм

Рис.2 - Макрошлиф соединения (а) и внешний вид лицевой поверхности шва (б) из стали 24Ш толщиной 45 мм, выполненного сваркой с 111 IF. 1 - верхняя часть шва, 2 - средняя часть шва, 3 - нижняя часть шва

Участок частичной перекристаллизации имеет ширину до 2 мм. Структура представляет собой сорбит, ориентированный по исходному мартенситу. Микротвердость этого участка составляет 3400 - 3900 Н/мм2.

Участок разупрочнения имеет ширину до 3 мм. Структура мелкодисперсная, сорбитно-го типа с твердостью 3000-3100 Н/мм2.

НяМ9=3100 Ц м*=370О

а б

Рис.3 - Микроструктуры верхнего участка металла шва, расположенного на расстоянии 0,38 мм от линии сплавления (а) и среднего его участка, расположенного на расстоянии 0,08 мм от линии сплавления (б), выполненного сваркой с П11Р (х 400)

Структура основного металла представляет собой сорбит, ориентированный по исходному многоигольчатому мартенситу с микротвердостью порядка 3300-3800 Н/мм2. Микроструктура металла шва во всех исследуемых сечениях двухфазная (состоит из темных и светлых участков), которая имеет дендритное строение (рис.3, 4) различной степени развития в зависимости от расстояния от зоны сплавления.

НпОуДО—3500

Н,,0,49=3450

Н^-3800 H,rt49=4200

Н„о^=4800

Н110^-3600

а

Рис.4 - Микроструктура металла шва в корневой части сварного соединения на расстоянии 0,02 мм (а) и 0,08 мм от линии сплавления (б) (х 400)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис.5 - Микроструктура зоны сплавления соединения, выполненного сваркой с ППР (х 400)

Распределение твердости по Виккерсу перпендикулярно линии сплавления по центру сварного соединения приведено на рис.6.

У*

мм 4500

4000 3500

30 0 7Д) 14,0 L, мм

Рис.6 - Распределение твердости в средней части сварного соединения (рис. 2,а) вдоль линии, перпендикулярной линии сплавления

Темные участки имеют игольчатое строение с микротвердостью от 3400 до 4400 Н/мм2. Характер структуры и величина микротвердости дают основание предположить, что темная фаза представляет собой отпущенный мартенсит.

Светлые участки имеют микротвердость от 2500 до 3600 Н/мм2 и представляют собой, по-видимому, аустенит. Здесь можно выделить два типа светлотравящихся участков с микротвердостью 2500-300 Н/мм2 и 3400-3600 Н/мм2.

В таблице 1 приведено содержание элементов в темнотравящихся и светлотравящихся фазах металла сварного шва, определенное на микроанализаторе фирмы Хитачи.

Таблица 1 - Содержание элементов в различных фазах металла шва

Наименование участков (фаз) Содержание химических элементов, %

Ni Сг Мп Si Ti

Светлотравящийся (аустенит) 50,65 12,93 30,16 0,41 0,10

Темнотравящийся (сорбит) 50,04 11.1 20,43 0,32 0,07

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Соотношение объемов аустенита (А) и мартенсита (М), вычисленное на количественном анализаторе "Эпиквант" в шве выполненным сваркой с ППР, составляет A/M = 50/50 %, что указывает на достаточную пластичность металла шва.

Механические испытания и подготовку образцов осуществляли по ГОСТ 6996-66.

В таблице 2 приведены механические свойства металла шва, полученного при сварке с ППР и многопроходной под флюсом. Как видно из таблицы металл шва, выполненного сваркой с ППР, имеет достаточно высокие прочностные и пластические характеристики.

Таблица 2 - Механические свойства металла шва сварного соединения

I Способ сварки Ств, M Па от, МПа Т, % б, % ,

а Многопроходная 706±57 506+94 5,3±1,1 2,3±0,7

fi Сварка с ППР 960±150 410±143 10,7±4,7 14,6±4,5

Определение свойств сварных соединений (с подваркой корня шва) при импульсном (взрывном) нагружении производили по ОСТВЗ-15, 011-85 посредством испытания образцов из стали 24Ш размером 45x400x600 мм. Внешний вид образца после испытания показан на рис.7.

HJAC-Î

¿Т.*

Ш-6Ш

ШДС-1

Рис.7 - Внешний вид образца (с подваркой корня шва) после испытания взрывным нагружени-ем со стороны основного шва (а) и подварочного (б)

Анализ результатов испытаний показал, что при скоростях взрывного нагружения от 385 до 440 м/с сварное соединение имеет высокую стойкость и живучесть. В ряде образцов образовалась несквозная трещина длиной до 100 мм (точка 1).

Некоторые образцы имели трещины в металле шва по обе стороны от места приложения импульса нагрузки (рис.7,6, точка 2) длиной до 50 мм.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На основании выполненных исследований можно сделать заключение, что разработанная технология механизированной сварки с ППР высокопрочной среднелегированной стали типа 24Ш обеспечивает получение высоких прочностных характеристик сварных соединений и может быть рекомендована для использования в производственных условиях.

Выводы

1. Разработана технология механизированной сварки с ППР толстолистовой высокопрочной среднелегированной стали типа 24Ш.

2. Полученные высокие прочностные свойства сварных соединений позволяют рекомендовать разработанный технологический процесс сварки для использования в производственных условиях.

Перечень ссылок

1. Серепко А.Н., Шаферовский В.А., Патрикеев A.M. Сварка толстолистовой стали с программированием процесса! Учебное пособие-Мариуполь: Изд-во Ш ТУ, 2000,- 296 с.

2. Программное управление процессом сварки толстолистовых конструкций / АН. Серенко, В.А. Шаферовский, А.И. Патрикеев и др. II Комплексная автоматизация промышленности (часть Ш): Тр. Ш-ей Международной польско-советской НТК. - Вроцлав, 11-14 октября 1988 г. - Вроцлав: Вроцлавская политехника, 1988,- С. 167-171.

3. Шаферовский В.А., Серенко А.П. Повышение качества формирования шва при сварке под флюсом с программированием параметров режима // В сб. трудов Международной НТК "Прогрессивная техника и технология машиностроения, приборостроения и сварочного производства", т. IV (25-28 мая - 1998 г.). Киев: НТУУ "КПП", 1998,- С. 99-103.

4. A.c. 1059772 СССР МКИ В23К 9/00 Способ электродуговой сварки / AM. Патрикеев, А.Н. Серенко, В.А. Шаферовский, В.В. Пугач.- 1982.

5. A.c. 1173629 СССР МКл3 В23К 9//00 Способ электродуговой сварки/АЛ. Патрикеев, АН. Серенко, В.А. Шаферовский и др.- 1985.

6. A.c. 1424247 СССР МКл3 В23К 9//08 Способ электродуговой сварки толстолистового металла IA.П. Серенко, АД.-Размышляев, В.А. Шаферовский и др.- 1988.

Серенко Александр Никитич. Канд. техн. наук, проф. кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил Алтайский политехи, инст. в 1959 г. Основные направления научных исследований - принципы оценки работоспособности сварных соединений и конструкций; изучение процессов при сварке с программированием режима.

Шаферовский Виктор Александрович. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил 111 ТУ в 1977 году. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии сварки толстолистового металла с программированием параметров режима; сварка под флюсом специальных сталей и сплавов.

Патрикеев Александр Иванович. Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил 111 ТУ в 1973 году. Основные направления научных исследований — совершенствование технологии сварки толстолистового металла с программированием параметров режима.

Савченко Анатолий Иванович. Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник ВНИИ стали (г. Москва), окончил 111 ТУ в 1971 году. Основные направления научных исследований - металлографические исследования и прочностные испытания различных материалов; сварка под флюсом специальных сталей и сплавов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Статья поступила 09.01.2002.