CC BY
35
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
УДК 621.791.927
© Матвиенко В.Н.1, Лещинский Л.К.2, Мазур В.А.3
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ПРИ ШИРОКОСЛОЙНОЙ НАПЛАВКЕ ПОД ФЛЮСОМ СОСТАВНЫМ ЛЕНТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
Показано, что при широкослойной наплавке составным ленточным электродом формообразование сварочной ванны зависит от геометрии составного электрода, влияющей на характер процесса наплавки под флюсом, распределение тепловой энергии по ширине источника, неравномерность расплавления основной и боковых лент, коэффициент вариации глубины проплавления. Математическое моделирование и результаты экспериментов позволили оценить влияние угла поворота боковых лент составного электрода на форму, длину и ширину сварочной ванны.
Ключевые слова: широкослойная наплавка, флюс, составной ленточный электрод, основная лента, боковые ленты, угол поворота, формообразование ванны, длина и ширина ванны, глубина проплавления, коэффициент вариации.
MameieuKO В.М., Лещинськш Л.К., Мазур В.О. Формоутворення зварювальног ванни при широкошаровому наплавленш nid флюсом складеним cmpi4^euM електродом. Показано, що при широкошаровому наплавлент складеним стр1чковим електродом формоутворення зварювальног ванни за-лежить в1д геометры складеного електроду, що впливае на характер проце-су наплавлення тд флюсом, розподш тепловог енерггг по ширим джерела, нер1вном1ртсть розплавлення основног i б1чних стр1чок, коефщент вар1аци глибини проплавлення. Математичне моделювання i результати експериме-нтiв дозволили ощнити вплив кута повороту бiчних стрiчок складеного електроду на форму, довжину i ширину зварювальног ванни. Ключовi слова: широкошарове наплавлення, флюс, складений стрiчковий електрод, основна стрiчка, бiчнi стрiчки, кут повороту, формоутворення ванни, довжина i ширина ванни, глибина проплавлення, коефщент варiацiг.
V.M. Matvienko, L.K. Leshchinskiy, V. O. Mazur. The formation of the weld pool in the process of submerged arc surfacing using composite strip electrode.
The influence of geometry of the composite strip electrode on the process of submerged arc surfacing has been presented. The obtained data and mathematical models made it possible to evaluate the size and shape of the weld pool, as well as non-uniformity of depth ofpenetration, is performed.
Keywords: submerged arc surfacing, flux, composite strip electrode, central and lateral strips, angle of rotation, weld pool, shape, size, depth ofpenetration, non-uniformity.
Постановка проблемы. В решении проблемы воздействия на формообразование сварочной ванны при широкослойной наплавке под флюсом, наряду с другими факто-
1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 д-р техн. наук, профессор, Бостон, США
3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
рами, большие возможности связаны с исследованием и разработкой способа наплавки составным ленточным электродом.
Анализ последних исследований и публикаций. Совершенствование процесса широкослойной наплавки ленточным электродом вызвано необходимостью расширить его технологические возможности, не снижая при этом производительности и качества наплавленного металла [1]. Среди способов наплавки ленточными электродами важнейшую роль играет процесс наплавки под флюсом, применяемый для нанесения износостойких и коррозионностойких слоёв. По способности управления в процессе наплавки под флюсом тепломассопереносом и эффективностью проплавления, влияющими на формообразование ванны, условия формирования шва, а также структуру и свойства наплавленного слоя, способ наплавки составным ленточным электродом [2] располагает значительными преимуществами в сравнении со способом наплавки профилированным ленточным электродом [3], а также двумя параллельными лентами [4].
Цель статьи. Изучение влияния геометрии составного ленточного электрода на формообразование сварочной ванны при широкослойной наплавке под флюсом.
Изложение основного материала. Составной ленточный электрод (рис. 1), состоит из средней (основной) и двух боковых лент, расположенных перпендикулярно средней ленте или под углом, отличным от прямого. Механизм подачи позволяет перемещать среднюю ленту относительно боковых, сохраняя между ними перпендикулярность или другой заданный угол. При наплавке под флюсом АН-348А составным ленточным электродом Св-08кп (средняя лента - 50x0,5 мм, боковые ленты - 25x0,7 мм) параметры режима: ток постоянный обратной полярности 1Н = 1150...1250 А, ид = 30.32 В, = 14 м/ч, вылет ленточных электродов 40 мм.
Рис. 1 - Взаимное положение лент составного электрода: 1 - средняя (основная) лента; 2 - боковые (дополнительные) ленты
Важнейшие преимущества процесса наплавки составным ленточным электродом связаны с возможностью изменения положения боковых лент относительно средней, а также соотношения массовых (линейных) скоростей подачи каждой из них. В зависимости от положения боковых лент относительно средней изменяется степень сосредоточенности выделяющегося тепла, условия теплопередачи ленточным электродам и основному металлу; благодаря влиянию на характер процесса наплавки под флюсом (доля тока шунтирования дуги шлаковым расплавом может составлять от 30.35 до 50.55 % общего тока), в значительной мере изменяются условия расплавления сред-
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
ней и боковых лент, эффективность и стабильность проплавления, форма и размеры сварочной ванны. Кроме того, под воздействием перемещения дуги по торцу лент составного электрода интенсивно перемешивается расплавленный металл ванны. Это влияет на дендритную и зональную ликвацию примесей, процесс кристаллизации металла и формирование валика, возможность получения макроразнородной структу-
Процессы, происходящие при наплавке под флюсом составным ленточным электродом, в полной мере согласуются с перемежающимся (смешанным) характером процесса [6]. С изменением положения боковых лент относительно основной, перемещаются зоны преимущественного влияния дугового процесса (то же можно сказать о зонах, где важнейшую роль играет шлаковый процесс) [7]. В зависимости от перемещения зон с большей долей дугового процесса (с опережающих основную ленту боковых лент (рис. 1, а) к той их части, которая вынесена перед основной лентой (рис. 1, б) и, наконец, на среднюю ленту (рис. 1, в), изменяется характер оплавления торцов лент (рис. 2, а), но, главное - это влияет на неравномерность проплавления (рис. 2, б).
ры [5].
6
о
-6
а)
40
10
Взаимное положение лент составного электрода
Рис. 2 - Разность уровней торцов средней и боковых лент составного электрода (а) и коэффициент вариации W глубины проплавления (б)
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2013р. Серiя: Техшчш науки Вип.
ISSN 2225-6733
По мере перемещения боковых лент относительно средней, в результате значительных изменений, происходящих в перемежающемся процессе с параллельным существованием дуговой и шлаковой составляющей, влияющих на скорость расплавления средней и боковых лент, условия нагрева и плавления основного металла, значительно изменяется форма, длина и ширина сварочной ванны (рис. 3).
90
Л
х
X cö И
и
pq
cö X X Л К
В
к и
н-1
CÖ
X
80
70
60
50
40
Вв
LB
30
Взаимное положение лент составного электрода
Т
ин
Рис. 3 - Длина (ЬВ) и ширина (ВВ) сварочной ванны при наплавке составным ленточным электродом
Возможность сохранить ширину ванны (даже при уменьшении в определённых пределах ширины средней ленты) зависит от величины угла а между основной и боковыми лентами. С расположением боковых лент под углом а Ф 90°, суммарная фронтальная проекция трёх ленточных электродов увеличивается, компенсируя уменьшение ширины средней ленты. Важную роль в увеличении ширины ванны с изменением угла поворота боковых лент играет направление и интенсивность потоков расплавленного металла, в особенности, на краях ванны.
Для исследования влияния изменения угла поворота боковых лент относительно средней ленты на ширину сварочной ванны, использовались расчётные значения положения изотермы, соответствующей температуре Т = ТПЛ, определяющей границы ванны (рис. 4). Такие расчётные данные получены в результате математического моделирования процесса нагрева и плавления основного металла при наплавке под флюсом составным ленточным электродом. Расчёты выполнены путём решения нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности с использованием метода конечных элементов.
При постоянной ширине средней и боковых лент, увеличение ширины ванны тем больше, чем в большей мере угол а отличается от 90°. При изменении угла поворота боковых лент от 90 до 150° ширина ванны увеличивается более чем на 20 мм (рис. 4, 5).
При наплавке составным ленточным электродом (средняя лента - 50x0,5 мм, бо-
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
ковые ленты - 25x0,7 мм) с увеличением угла поворота боковых лент до 150° ширина ванны достигает 90 мм при высоком качестве формирования одинарного наплавленного валика.
Рис. 4 - Увеличение ширины ванны с изменением угла поворота боковых лент от 90° до 150° (при одинаковых размерах лент и постоянном режиме наплавки)
60 -1-1-1-1-1-1-1-
30 60 90 120 150
Угол поворота боковых лент а, град
Рис. 5 - Ширина ванны в зависимости от угла поворота (а) боковых лент к основной ленте
Выводы:
1. На формообразование сварочной ванны во время широкослойной наплавки составным ленточным электродом под флюсом влияет перемежающийся (смешанный) характер процесса (доля тока, шунтирующего дугу расплавленным шлаком, может превышать 50% от общего).
2. При перемещении боковых лент относительно основной ленты изменяются условия нагрева и плавления как ленточных электродов, так и основного металла, что влияет на эффективность и неравномерность проплавления.
3. Происходящее при таких изменениях геометрии составного ленточного электрода перераспределение выделяющегося тепла по пятну нагрева основного металла при-
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
водит к значительным изменениям формы, длины и ширины сварочной ванны.
4. Для получения расчётных значений положения изотермы ТПЛ, позволяющих определить ширину ванны, использовалось математическое моделирование процесса нагрева и плавления основного металла.
5. Эффективным путём воздействия на формообразование сварочной ванны является поворот боковых лент относительно основной ленты. При этом ширина ванны увеличивается по мере увеличения или уменьшения угла поворота а от исходного значения (90°).
6. При наплавке составным ленточным электродом (средняя лента - 50x0,5 мм, боковые ленты - 25x0,7 мм) с увеличением угла поворота боковых лент до 150° ширина ванны достигает 90 мм. Высокое качество формирования одинарного широкого валика, а также надёжность проплавления, достигаются без применения внешнего воздействия (например, магнитного поля).
Список использованных источников:
1. Peters G. Elektroschlake - Bandplattirung mit korosionsbeständigen Werkstoffen / G. Peters, Р. Paschold // DVS - Berichte, DVS - Verlag. Düsseldorf. - 2000. - Bd. 209. -Р. 274-279.
2. А.с. 1561348 СССР, МКИ В23К 9/04. Способ наплавки расщеплённым ленточным электродом / В.Н. Матвиенко, Л.К. Лещинский, В.А. Егоров [и др.]. -№ 4488183/25-27; заявл. 28.09.88; опубл. 03.01.90, Бюл. № 16.
3. Белоусов Ю.В. Выбор оптимальной формы ленточного электрода для широкослойной наплавки / Ю.В. Белоусов, Л.К. Лещинский, Б.Б. Сологуб // Автоматическая сварка. - 1976. - № 12. - С. 24-28.
4. А.с. 1099490 СССР, МКИ В23К 9/04. Способ наплавки двумя ленточными электродами / Л.К. Лещинский, В.П. Лаврик, В.Н. Матвиенко. - № 3550385/25-27; заявл. 08.02.83; опубл. 22.02.84, Бюл. № 23.
5. Матвиенко В.Н. Получение многослойного композиционного покрытия наплавкой ленточными электродами / В.Н. Матвиенко, В.П. Иванов, К.К. Степнов // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. научн. тр. Вып. 6: Мариуполь, 1998. - С. 201-204.
6. Лещинский Л.К. Слоистые наплавленные и упрочнённые композиции / Л.К. Лещинский, С.С. Самотугин. - Мариуполь: Новый мир, 2005. - 392 с.
7. Лещинский Л.К. Форма сварочной ванны при наплавке составными ленточными электродами / Л.К. Лещинский, В.Н. Матвиенко, С.В. Гулаков. // Автоматическая сварка. - 1991. - № 11. - С. 58-60.
Bibliography:
1. Peters G. Elektroschlake - Bandplattirung mit korosionsbeständigen Werkstoffen / G. Peters, Р. Paschold // DVS - Berichte, DVS - Verlag. Düsseldorf. - 2000. - Bd. 209. -Р. 274-279.
2. USSR author's cert. № 1561348, Int. Cl. B23K 9/04. Method of surfacing / V.N. Matvienko, L.K. Leshchinskiy, V.A. Egorov [et al.]. // Publ. 03.01.90, Byul. № 16 (Rus.).
3. Belousov Yu.V. The selection of the optimal shape of strip electrode for wide layer surfacing / Yu. V. Belousov, L. K. Leshchinskiy, B. B. Sologub // Paton arc welding journal. - 1976. - № 12. - P. 24-28 (Rus.).
4. USSR author's cert. № 1099490, Int. Cl. B23K 9/04. Method of surfacing / L.K. Leshchinskiy, V P. Lavrik, V.N. Matvienko. // Publ. 02.22.84, Byul. № 23 (Rus.).
5. Matvienko V.N. Effect of multilayer composition in the process of surfacing using strip electrode / V.N. Matvienko, V.P. Ivanov, K.K. Stepnov // Bulletin of Pryazovskyi State
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
Technical University: collection of scientific works V. 6: Mariupol, 1998. - P. 201-204 (Rus.).
6. Leshchinskiy L.K. Multilayer compositions: surfacing and hardening / L.K. Leshchinskiy, S.S Samotugin. - Mariupol: Noviy mir, 2005. - 392 p. (Rus.).
7. Leshchinskiy L.K. The shape of the weld pool in the process of surfacing using composite strip electrode / L.K. Leshchinskiy, V.N. Matvienko, S.V. Gulakov // Paton arc welding journal. - 1991. - № 11. - P. 58-60 (Rus.).
Рецензент: В.И. Щетинина
д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 30.04.2013
УДК 621.791.92
Иванов В.П.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАПЛАВКИ УПРАВЛЕНИЕМ ГИДРОДИНАМИКОЙ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ
Осуществлен обзор состояния дел в области моделирования зон проплавления и наплавки металла шва, исследований способов управления и стабилизации процесса формообразования сварочной ванны и возникающих при этом дефектов формирования. Разработаны динамические модели формирования сварочной ванны и связанных с этим дефектов наплавленного шва. На основе этих моделей проанализирована взаимосвязь таких информационных сигналов, как скорость подачи электрода и скорость перемещения струи-источника как параметров системы управления технологическим процессом наплавки.
Ключевые слова: сварочная ванна, гидродинамические процессы, формообразование, зона проплавления, скорость потока, математическая модель.
1ванов В.П. Шдвищення ефективностi процесу електродугового наплав-лення керуванням гiдродинамiки зварювальног ванни. Здтснено огляд стану справ в областг моделювання зон проплавлення i наплавлення металу шва, досл1джень способiв управлтня i стабшзаци процесу формоутворення зва-рювальног ванни i виникаючих при цьому дефектiв формування. Розроблено динамiчнi моделi формування зварювальног ванни i пов'язаних з цим дефектiв наплавленого шва. На основi цих моделей проаналiзован взае-мозв'язок таких тформацтних сигналiв, як швидшсть подачi електрода i швидшсть перемщення струменя-джерела як параметрiв системи управлтня технологiчним процесом наплавлення.
Ключовi слова: зварювальна ванна, гiдродинамiчнi процеси, формоутворення, зона проплавлення, швидюсть потоку, математична модель.
Ivanov V.P. Increasing of the efficiency of electric arc overlaying process with control the hydrodynamics of the weld pool. The review of the situation in the
канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
