CC BY
36
5. ОБЩЕЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ. ЯДЕРНАЯ ТЕХНИКА. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
5.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА А-ТИГ СВАРКИ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ФЛЮСОВ-ОКСИДОВ
Саидов Рустам Маннапович, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник. Институт материаловедения, НПО «Физика-Солнце» Академии Наук Республики Узбекистан, e-mail: saidov_r@yahoo.com
Марио Куш, Др.-Инж., Департамент производства и сварочной техники, Хемницкий технологический университет, Германия, e-mail: mario.kusch@mb.tu-chemnitz.de
Петер Майр, Профессор, Др., Департамент производства и сварочной техники, Хемницкий технологический университет, Германия, e-mail: peter.mayr@mb.tu-chemnitz.de
Кевин Хоефер, Инж., Департамент производства и сварочной техники, Хемницкий технологический университет, Германия, e-mail: kevin.hoefer@mb.tu-chemnitz.de
Йонг Хуанг, Др., Зав. лабораторией, Ланжоуский Технологический Университет, КНР, e-mail: hyorhot@lut.cn Комилова Дурдона Рустамовна, младший научный сотрудник. Институт материаловедения, НПО «Физика-Солнце» Академии Наук Республики Узбекистан, e-mail: komilova78@mail.ru
Аннотация: в настоящей статье приведены результаты исследований по изучению влияния термодинамических и физико-химических свойств оксидных флюсов на энергетическую эффективность сварочной дуги при аргонодуговой сварке (А-ТИГ) нержавеющей стали CrNi18-10. Полученные результаты исследований позволили выявить критерии оценки энергоэффективности сварочной дуги А-ТИГ на глубину проплавления свариваемого металла и определить влияние термодинамических и физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги при различных погонных энергиях сварки. Также выявлены требования к термодинамическим и физико-химическим свойствам индивидуальных флюсов-оксидов, обеспечивающим высокую энергоэффективность проплавляющей способности дуги при А-ТИГ сварке.
Ключевые слова: аргонодуговая сварка, нержавеющие стали, индивидуальные флюсы-оксиды, термодинамические и физико-химические свойства оксидов, энергоэффективность проплавляющей способности дуги.
STUDYING ENERGY EFFICIENCY OF A-TIG WELDING OF STAINLESS STEELS WITH USING OF INDIVIDUAL FLUX-OXIDES
Saidov Rustam Мannapovich, PhD, Leader research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Sciences of Uzbekistan, e-mail: saidov_r@yahoo.com
Mario Kusch, Dr.-Ing., Department of Manufacturing and Welding Engineering, Chemnitz University of Technology, Germany, e-mail: mario.kusch@mb.tu-chemnitz.de
Peter Mayr, Professor, Dr., Department of Manufacturing and Welding Engineering, Chemnitz University of Technology, Germany, e-mail: peter.mayr@mb.tu-chemnitz.de
Kevin Hoefer, Dipl.-Ing., Department of Manufacturing and Welding Engineering, Chemnitz University of Technology, Germany, e-mail: kevin.hoefer@mb.tu-chemnitz.de
Huang Yong, Dr., Head of Laboratory of Lanzhou University of Technology, China, e-mail: hyorhot@lut.cn
Komilova Durdona Rustamovna, Senior research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Sciences of Uzbekistan, e-mail: komilova78@mail.ru
Abstract: At this article presented the results of researches on the influence of thermodynamic and physical-chemical properties of oxide fluxes to the energy efficiency of welding arc with TIG welding (A-TIG) of stainless steel CrNi18-10. The obtained results of research work allowed to determine the evaluation criteria of A-TIG welding arc energy efficiency to the penetration depth of welding metal and to identify thermodynamic and physical-chemical properties of individual flux-oxides to the melting properties energy efficiency of welding arc by different running energy of welding. Also it is determined the requirements to
thermodynamic and physical-chemical properties of individual flux-oxides providing high energy efficiency melting peculiarities of arc with A-TIG welding.
Index terms: A-TIG welding, Stainless Steel, Oxides, Physical and Chemical Properties Oxides, Morphology of Weld Joints.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных параметров процесса дуговой сварки металлов, способствующий образованию сварного шва и определяющий качество и свойства сварных соединений является погонная энергия сварки (heat input welding). Погонная энергия представляет собой отношение эффективной тепловой мощности дуги к скорости ее перемещения (скорости сварки) [1] и определяется по следующей формуле:
Погонная энергия сварки определяется по формуле:
HI = q/Vw (1)
где q - энергия дуги[Вт или Дж/с], Vw - скорость сварки[см/с].
Энергия дуги рассчитывается по формуле:
q = IU п (2)
где I- величина сварочного тока [A], U - напряжение дуги [В],
П -эффективный коэффициент полезного действия дуги (для аргонодуговой сварки п=0,6).
Повышение эффективности передачи энергии дуги свариваемым изделиям, способствует получению качественных сварных соединений при меньших затратах энергии. Подобный эффект достигается при аргонодуговой сварке с активирующими флюсами (А-ТИГ), которая позволяет сократить погонную энергию сварки до 2-6 раз по сравнению с обычным методом сварки (ТИГ) [2].
При сварке ТИГ полная энергия дуги (рис. 1а) в основном расходуется на нагрев и плавление сварной конструкции (E) и потерями в окружающую среду (Losses)[3]:
Ef= E, - Losses (3)
где Et - полная энергия дуги,
E, - энергия, расходуемая на нагрев и плавление сварной конструкции,
Losses - энергия, связанная с потерями в окружающую среду.
При сварке А-ТИГ распределение полной энергии дуги меняется (рис.1б) в связи с расходом и выделением дополнительной энергии, связанной с использованием активирующих флюсов (Ef):
E= Ej - Losses - Ef (4)
где Ef - энергия, связанная с использованием флюса.
При этом энергия, связанная с использованием активирующего флюса состоит из энергий, расходуемой на расплавление флюса (Emf) и выделяемой в результате разложения и диссоциации соединений и элементов флюса (Ed):
Ef = Emf-Edf (5)
где Emf - энергия, расходуемая на плавление флюса,
Edf - энергия, выделяемая в результате разложения и диссоциации соединений и элементов флюса.
b
Рис. 1. Распределение энергии дуги при сварке ТИГ [2] (a) и А-ТИГ (b): Et - полная энергия дуги; Ei - энергия, расходуемая на нагрев и плавление сварной пластины; Ef - энергия, связанная
с использованием флюса. Очень важным показателем А-ТИГ сварки является энергоэффективность действия сварочной дуги на глубину про-плавления свариваемой пластины. Показателем этой эффективности могут быть затраты энергии на формирование единицы площади стыка (HI/P) или на единицу глубины проплав-ления (q/P). Чем ниже величины этих показателей, тем выше энергоэффективность действия энергии дуги на её проплавляющую способность.
Как известно [4], на глубину проплавления при А-ТИГ сварке оказывают влияние состав используемого флюса и его физико-химические свойства. Однако, отсутствуют исследования, посвященные влиянию составов флюсов, их термодинамических и физико-химических свойств на эффективность энергии сварочной дуги на глубину проплавления пластины при А-ТИГ сварке. Поэтому, целью исследований проведенных в настоящей работе являлось изучение влияние термодинамических и физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги при различных погонных энергиях А-ТИГ сварки. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД
В качестве нержавеющей стали для проведения исследований использовалась сталь марки CrNi18-10 (см. табл.1) в виде пластин размером 60х150 мм и толщиной 4 и 5мм.
Таблица 1
Химический состав стали CrNi18-10 (1.4301) [DIN EN 10088-3]
C Si Mn P S N Cr Ni
<0,07 <1,0 <2,0 <0,045 <0,015 <0,11 17,0-19,5 8,0-10,5
Режимы ТИГ сварки: Сварка выполнялась в нижнем положении при длине дуги 2 мм, диаметр электрода: 3,2 мм, угол заточки электрода: 30°, на сварочных токах: 100A (для пластин, толщиной 4 мм) и 200 A (для пластин, толщиной 5 мм), скорость сварки: 20 см/мин (для пластин, толщиной 4 мм) и 30 см/мин (для пластин, толщиной 5 мм), защитный газ: argon 10 л/мин, Поддув со стороны проплава: argon 5 л/мин.
В качестве флюсов использовались такие индивидуальные оксиды как MgO, SiO2, TiO2, Cr2O3, WO3 и Co3O4. Флюсы использовались в виде паст, которые получали при смешивании порошков оксидов (с размером частиц не более 100 мкм) со спиртом в весовом соотношении 1:1, которое обеспечивало получение слоя флюса на поверхности пластин толщиной 0,24 мм. Слой пасты наносился с помощью кисточки на половину пластины шириной до 10 мм (рис. 1).
Рис. 1. Пластина с проплавленным швом, выполненным аргонодуго-вой сваркой на одну половину без флюса (ТИГ) и на другую с флюсом (А-ТИГ).
В качестве термодинамических и физико-химических свойств оксидов изучались нижеследующие свойства:
- Энтальпия образования (ДН°298), кДж/моль;
- Температура плавления (Тто), °С;
- Температура кипения (Тьо), оС;
- Разность температур кипения и плавления (Тьо- Тто), о;
- Поверхностное натяжение (о), мДж/м2;
- Энергия ионизации (1Е) или потенциал ионизации (Ц), эВ.
Также проводились исследования влияния температурного интервала существования жидкого флюса в диапазоне температур плавления и кипения свариваемого металла, называемого температурным интервалом действия флюса - ДТ^ [4] и содержание кислорода в оксиде (О2 % масс.) на энергоэффективность проплавляющей способности дуги при А-ТИГ сварке с индивидуальными флюсами-оксидами.
Величину температурного интервала «ДТц,», схематически изображенную на рис.2, определяли по нижеследующим формулам:
при условии, если Тто> Ттт и ТЬо> ТЬт
ДТ1щ— ТЬт — Тто
при условии, если Тто> Ттт и ТЬо< ТЬт
ДТ11ч= ТЬо - Тто
при условии, если Тто< Ттт и Т,0> Тьт
ДТНд_ ТЬт — Ттт
при условии, если Тто< Ттт и Т,0< Тьт
Рис. 2. Схема определения температурного интервала действия флюсов-оксидов (ДТнч).
Данные о физико-химических свойствах оксидов, использованных при изучении их влияния на формирование сварных швов нержавеющей стали Сг№18-10 заимствованы из известной базы данных [5] и информации из справочника [6].
Касательно оксида кобальта (11,111) Со3О4 использовались данные свойств для оксида кобальта (II) СоО в связи с тем, что при температуре выше 900оС протекает реакция 2 Со3О4= 6 СоО + О2 [16, 17] .
Потенциал ионизации оксидов (1Е) определялся расчетным методом по формуле:
1Е = (1Ем/Сма) + (1Ео/Сод) (6)
где: 1ЕМ - потенциал ионизации металла оксида, эВ, СМА - содержание металла в оксиде, % атом., 1ЕО - потенциал ионизации кислорода, эВ, СОА - содержание кислорода в оксиде, % атом.
Инструментальный микроскоп был использован для проверки морфологии сварного шва, который характеризуется глубиной проплавления (Р), шириной шва и отношением глубины проплавления к ширине шва (Р^).
Степень влияния физико-химических свойств оксидов на энергоэффективность проплавляющей способности А-ТИГ дуги оценивали с помощью коэффициента детерминированности R2[7]. Коэффициент детерминированности находится в диапо-зоне 0^2<1, и обозначает силу линейной корреляции между свойствами оксидов и энергоэффективность проплавляющей способности А-ТИГ дуги. При построении графиков зависимостей энергоэффективность проплавляющей способности А-ТИГ дуги от различных свойств оксидов использовались полиноминальные аппроксимирующие кривые.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для проведения исследований влияния термодинамических и физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги при различных погонных энергиях А-ТИГ сварки использовались результаты, полученные при сварке ТИГ и А-ТИГ нержавеющей стали Сг№18-10 толщиной 4 и 5мм [4].
В таблицах 2 и 3 приведены электрические параметры при сварке ТИГ и А-ТИГ сварки с использованием индивидуальных флюсов-оксидов стали марки Сг№18-10, толщиной 4 и 5 мм.
"Ми- Tbo - Tmm
Таблица 2
Электрические параметры сварки ТИГ и А-ТИГ сварке стали СгМ18-10, толщиной 4 мм
Электрические параметры сварки
ТИГ (без флюса) А-ТИГ (с флюсом)
№ Сварочный ток (I) Напряжение дуги (и) Энергия дуги (я) Флюс Сварочный ток (I) Напряжение дуги (и) Энергия дуги (q)
[А] [V] м [А] [V] [W]
1 104,69 7,78 489 MgO 104,69 8,68 545
2 103,93 7,57 472 SÍO2 103,93 7,81 487
3 103,74 7,78 484 СГ203 103,74 8,28 516
4 103,67 7,91 492 TÍO2 103,67 7,89 491
5 103,54 7,77 482 WO3 103,54 8,12 505
6 103,42 7,76 482 Co3O4 103,42 8,04 499
Как показывают результаты, представленные в таблицах 1 и 2, энергия дуги при А-ТИГ сварке в основном выше энергии дуги традиционной ТИГ сварки, т.е. применение оксидов при сварке способствует повышению энергии дуги при сварочном токе 100А до 12%, а при токе 200А до 15%. При этом, ширина швов ^дт|с), выполненных сваркой с использованием флюсов-оксидов (А-ТИГ), по сравнению с шириной швов ^т|с), полученных традиционной сваркой (ТИГ) сужается от 165% до 298% при сварке на токе 100А и от 107% до175% на токе 200А, а глубина проплавления сварных швов (Рдт|1с), увеличивается на токе 100А от 152% до 243% и на токе 200А от 153% до 247%, по сравнению с глубиной проплавления (Рт|с) швов традиционной ТИГ сварки (см. рис. 3).
Таблица 3
Электрические параметры сварки ТИГ и А-ТИГ сварке стали СгМ18-10, толщиной 5 мм
Электрические параметры
ТИГ (без флюса) А-ТИГ (с флюсом)
№ Сварочный ток (I) Напряжение дуги (и) Энергия дуги (я) Flux Сварочный ток (I) Напряжение дуги (и) Энергия дуги (я)
[А] [V] м [А] [V] м
1 202,73 10,24 1244 MgO 202,73 11,72 1426
2 202,76 11,08 1347 SÍO2 202,76 12,48 1519
3 202,19 11,11 1348 СГ2О3 202,19 12,67 1538
4 202,20 10,21 1238 TÍO2 202,20 10,99 1333
5 202,16 10,83 1313 WO3 202,16 11,46 1390
6 201,97 10,73 1300 Co3O4 201,97 11,22 1360
Бвафяюп №¡¡0 ЕЮ; Гг;С; Т102 'ЛС;
Рис. 3. Величины ширины и глубины проплавления (Р) швов стали СгМ18-10, выполненных аргонодуговой сваркой без флюса (ТИГ) и с использованием индивидуальных флюсов-оксидов (А-ТИГ).
--- "" "4
i 4' - L / 1 \
A R - 0,403 R* 0,54«
•PaVetlEÍMMftl ♦ W>it/Wtd( tZODA) "Weuií™^
R1 0,203
--J И_ _ r _ ^ -a ----
,---- Г " R' = 0,749
Зависимость влияния отношения энергий А-ТИГ и ТИГ дуг (яотю/я™) на отношение ширины ^дт|с^т|с) и глубины проплавления швов А-ТИГ и ТИГ (Рдт|с/Рт|с), представленная на рис. 4, показывает на увеличение ширины и снижение глубины проплава швов с увеличением энергии А-ТИГ дуги (рис. 4) на сварочном токе 100А, а при сварке на токе 200А наблюдается незначительное сужение швов и увеличение глубины проплавления шва до определенного значения Ч^ю/Чтю и последующее его снижение при повышении отношения энергий А-ТИГ и ТИГ дуг.
нов 1 1.02 М>. 1 • н ' 1 1.12 1.14 1,16
Рис. 4. Зависимость отношений ширины (Wд^lG/W■пG) и глубины проплавления (Р/шс/Р™) А-ТИГ и ТИГ швов от отношения энергии дуги при А-ТИГ и ТИГ сварке с использованием индивидуальных флюсов-оксидов (Ядпс/Янс).
Таким образом, выявлено, что увеличение энергии А-ТИГ дуги понижает эффективность её действия на проплавляющую способность при токе 100А. При сварке на токе 200А, эффективность проплавляющей способности А-ТИГ дуги с увеличением энергии дуги сначала повышается до определенных пределов, а затем падает (см. рис. 4).
По-видимому, различие эффектов влияния энергии дуги на параметры сварных швов при 100А и 200А объясняется разным механизмом действия флюсов. На малых сварочных токах, механизм действия активирующих флюсов-оксидов, видимо, связан с физическими процессами, протекающими в сварочной дуге [9-13], а при сварке на высоких токах преобладают механизмы действия флюсов, связанных с химическими процессами, протекающими в сварочной ванне [14,15].
Изучение энергоэффективности А-ТИГ дуги при использовании индивидуальных флюсов-оксидов на глубину проплавле-ния швов оценивалось количеством затраченной энергии дуги на глубину проплавления шва (я/Р). Согласно полученным результатам, представленным на рис. 5, при аргонодуговой сварке стали Сг№18-10 без флюса (ТИГ) и с использованием индивидуальных флюсов-оксидов (А-ТИГ) показали на уменьшение затрат энергии дуги А-ТИГ сварки на единицу глубины проплавления на 184-309% при токе 100А и на 134-230% при токе 200А (рис. 5).
MbO COj Г..-П t TlOa WOa СозО*
Рис. 5. Значения затрат энергии на единицу проплавления (q/P) швов стали CrNi18-10 при аргонодуговой сварке без флюса (ТИГ) и с использованием индивидуальных флюсов-оксидов (А-ТИГ).
В качестве показателя влияния энергии дуги на эффективность проплавления свариваемого металла был использован коэффициент энергоэффективности проплавляющей способности дуги «Kepac», который определялся отношением затрат энергий на единицу глубины проплавления (q/P) при ТИГ и А-ТИГ сварке, и рассчитывался по следующей формуле:
Kepac = (q/P)TIG / (|/P)aTIG (7)
где Kepac - коэффициент энергоэффективности проплавляющей способности дуги;
(q/P)TIG - затраты энергии на единицу глубины проплавления (q/P) при сварке ТИГ, Вт/мм;
(q/P)ATIG - затраты энергии на единицу глубины проплавления (q/P) при сварке А-ТИГ, Вт/мм.
Результаты расчетов коэффициент энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Kepac) представлены на рис. 6. В соответствии с этими результатами, наблюдается повышение энергоэффективности действия на проплавляющую способность сварочной дуги всех использованных индивидуальных оксидов в качестве флюсов при сварке А-ТИГ. Среди них, наибольшая энергоэффективность действия дуги на проплав-ление стали CrNi18-10, наблюдается при применении таких окислов, как TiO2, SiO2, Cr2O3 и Co3O4, которые более чем в два раза повышают энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги (Kepac>2), по сравнению с традиционной ТИГ сваркой.
Напротив, исследование влияния энтальпии образования оксидов (ДН°298) на энергоэффективность проплавляющей способности дуги показал очень сильную корреляционную зависимость ^2=0,919) этих показателей при сварке на токе 200А и умеренную ^2=0,41) при токе 100А (рис.7). При этом, в обоих случаях, наблюдается повышение энергоэффективности действия дуги на проплавление металла с увеличением величины энтальпии образования оксида. Это, по-видимому, связано с количеством выделяемой энергии при разложении и диссоциации оксида в процессе сварки. Чем выше значение энтальпии образования оксида, тем больше энергии выделяется при его разложении и диссоциации (Е^), которая способствует повышению полной энергии дуги (Е().
Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от температуры плавления оксидов (Тто) представлена на рис. 8. Эта зависимость показывает очень высокую зависимость энергоэффективности проплавляющей способности дуги от температуры плавления оксида, применяемого при А-ТИГ сварке нержавеющей стали Сг№18-10, на обеих величинах сварочного тока. При этом, наиболее эффективное действие на проплавление металла оказывают оксиды, температура плавления (Тто) которых находится в диапазоне температур 1500 оС - 2400 оС, т.е. между температурой плавления (1450 оС) и температурой кипения (2750 оС) свариваемой нержавеющей стали (Ттт <Тто < Тьт).
Такая же высокая корреляционная зависимость наблюдается между коэффициентом энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) и температурой кипения оксидов (Тьо), представленной на рис. 9. В соответствии с полученными результатами выявлено, что максимальная величина Керас наблюдается при А-ТИГ сварке с использованием оксидов обладающих температурой кипения (Тьо) выше температуры кипения нержавеющей стали Сг№18-10 (Тьо=2750 оС). По-видимому, это объясняется тем, что флюсы-оксиды с температурой кипения выше температурой кипения стали способствуют формированию шлаков на поверхности сварочной ванны, которые способствуют сужению активного пятна дуги и повышают проникновение расплавленного металла сварочной ванны в глубину металла.
Рис. 7. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от энтальпии образования оксидов (ЛНо298).
Рис. 6. Значения коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) при аргонодуговой сварке с использованием индивидуальных флюсов-оксидов.
металла, т.е. температурного интервала действия флюса-оксида (ДТКч), величина, которой определяли по схеме, указанной на рис. 2.
Рис. 8. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от температуры плавления оксидов (Тто).
Рис. 9. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способ-ности дуги (Керас) от температуры кипения оксидов (Тьо)
А 100 А
Ш 200 А Д ___Л.. -'а---- □ R- = 0.S9g It's 0,759
i А
Рис. 11. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от температурного интервала действия оксида (йТИч).
А 100 А □ 2<Н> А
А -JÉ
/ / У - N □ R'= 0,899
¡ R*= 0,941
Рис. 10. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от разности температур плавления и
кипения (Тьо- Тто).
Также выявлено, что разность температур плавления и кипения оксидов (ТЬо-Тто), т.е. температурный интервал существования оксидов в жидком состоянии влияет на энергоэффективность проплавляющей способности дуги (рис.10). Индивидуальные флюсы-оксиды тем эффективнее воздействуют на проплавляющую способность дуги (Керас), чем выше величина разницы между температурами кипения и плавления окислов (ТЬо-Тто). Однако, связь между указанными параметрами имеет слабую корреляционную зависимость (см. рис. 10), так как в этой зависимости не учитывается температурный интервал существования сварочной ванны, т.е. разницу (ТЬт-Ттт) между температурами кипения (ТЬт) и плавления (Ттт) свариваемого металла.
На рис. 11 представлен график зависимости коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от температурного интервала существования жидкого флюса в диапазоне температур плавления и кипения свариваемого
О 100 200 300 400 500 ООО 700 ООО
повер ¡сностчое нчтгяженне оксчаов (о],мп*гмг
Рис. 12. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Kepac) от поверхностного натяжения оксидов (о).
Изучение влияния температурного интервала действия флюсов-оксидов (AT|iq) на энергоэффективность проплавляющей способности дуги (Kepac) позволили выявить очень высокую корреляцию между этими показателями (см. рис.11), при этом при величине сварочного тока 200A (R2 = 0,898), эта корреляционная связь является более высокой, чем при сварочном токе 100A (R2 = 0,759). Как показывают эти зависимости, повышение величины температурного интервала ATliq оксидов способствует росту энергоэффективности проплавляющей способности А-ТИГ дуги. Этот эффект, по-видимому, связан с тем, что с увеличением температурного интервала шлака оксида, образующего на поверхности сварочной ванны, приводит механическому сужению столба дуги [4]. Это способствует повышению концентрации плотности энергии дуги и снижает потери полной энергии дуги (Et) на нагрев сварной конструкции (Ei) и в окружающую среду (Losses).
Также влияние на энергоэффективность проплавляющей способности дуги оказывает поверхностное натяжение расплавов оксидов (о) (рис.12). Кривые зависимости коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Kepac) от величины поверхностного натяжения (о) пяти оксидов (SiO2, WO3, Fe2O3, TiO2 и MgO) показали на очень высокую корреляцию между указанными параметрами как для швов, полученных при сварке на токе 100А (R2=0,899), так и на токе 200А (R2=0,941). Наибольшая энергоэффективность проплавляющей способности дуги наблюдается при А-ТИГ сварке с использованием оксидов, имеющих величину поверхностного натяжения от 200 мДж/м2 до 400 мДж/м2. Этот эффект, по-видимому, связан с тем, что оксиды, обладающие поверхностным
натяжением, выходящими за рамки указанного диапазона или плохо смачивают металл сварочной ванны (при а > 400 мДж/м2), или отличаются низкими значениями температуры плавления и кипения (при а < 200 мДж/м2), что способствует менее эффективному сжатию и концентрации плотности энергии сварочной А-ТИГ дуги.
А 100 А [1 200 А
-- к с □ •v
/ У \ Ч \ 1 R'= 0,950
i i ' и'=о,э&и
9 9,5 10 10,5 И 11,5 1J 12,5 13
Потенциал ноннэлшн оксидов (fe], ev
Рис. 13. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от потенциала ионизации оксидов (1Е).
Рис. 14. Зависимость коэффициента энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Керас) от содержания кислорода в оксиде (О2), % масс.
Изучение влияния потенциала ионизации оксидов на морфологию сварных швов стали Сг№18-10 (рис. 13) выявил благоприятное воздействие этого показателя при повышении его значений до 12 eV вследствие повышения температуры сварочной дуги [8], что способствует повышению энергии сварочной дуги (Е^, связанной с использованием флюса, которая повышает полную энергию дуги (Е(), а дальнейшее её увеличение, снижает энергоэффективность проплавляющей способности А-ТИГ дуги, по-видимому, из-за снижения действия этого эффекта за счет ухудшения других физико-химических свойств оксидов.
Проведенные исследования влияния содержания кислорода в оксидах на энергоэффективность проплавляющей способности дуги (Керас) показали на низкую корреляционную зависимость между этими показателями при сварке на токе 100А и отсутствие какой либо корреляции при токе 200А (рис.14), т.е. в соответствии с этими результатами содержание с увеличением кислорода в оксиде наблюдается повышение энергоэффективности проплавляющей способности А-ТИГ дуги.
Согласно результатам представленным на рис. 14 наблюдается слабая корреляционная связь между содержанием кислорода в оксиде (О2) и энергоэффективностью проплавляющей способности дуги (Керас) наблюдается низкая корреляционная
связь при при токе 100А = 0,209) и отсутствие корреляции при токе 200А = 0,068).
Таким образом, в результате проведенных исследований, выявлено влияние термодинамических и физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на энергоэффективность проплавляющей способности дуги (Керас) и установлена взаимосвязь между этими показателями, со степенями корреляции (коэффициент детерминированности R2) представленными на рис. 15.
Рис. 15. Степень корреляции ^2) связи между энергоэффективностью проплавляющей способности дуги (Керас) и свойствами оксидов при А-ТИГ сварке.
В соответствии с полученными данными, энергоэффективность проплавляющей способности дуги (Керас) имеет очень высокую корреляционную связь с такими свойствами оксидов, как температура плавления (Тто), температура кипения (ТЬо), поверхностного натяжения (а) и энергия ионизации (1Е) при сварке А-ТИГ как на токе 100А, так и на токе 200А. При этом при сварке на высоком токе (200А) также высокая корреляция наблюдается между Керас и энтальпией образования оксидов (ДН°298), а при низких токах (100А) с температурой плавления (Тто), температурой кипения (ТЬо), поверхностным натяжением (а) и энергией ионизации (1Е).
Таким образом, полученные результаты позволяют установить требования к физико-химическим свойствам оксидов, применяемым в качестве флюсов при ТИГ сварке, при соблюдении которых возможно подбирать оптимальные составы оксидных флюсов для повышения энергоэффективности проплавляющей способности дуги при А-ТИГ сварке.
В соответствии с выявленными требованиями к физико-химическим свойствам флюсов-оксидов в рамках настоящей работы разработан новый состав флюса марки ЗЗТ-27А. В таблице 4 приведены физико-химические свойства этого флюса, определенные по диаграмме состояния оксидов и расчетными методами.
Таблица 4
Физико-химические свойства флюса 5БТ-27А
Flux Tm, °C Ть, oC Ть - Tm, o o, mJ/m2 IE, eV
SST-27A 1625 3150 1525 325 11,6
Сварочные тесты нового флюса проводились при ТИГ сварке пластин из нержавеющей стали Сг№18-10 толщиной 5,0 мм, которая выполнялась в нижнем положении при длине дуги 2 мм при диаметре вольфрамового электрода 3,2 мм с углом заточки электрода 30°, на сварочном токе 150А, при скорости сварки 20 см/мин в среде аргона (10 л/мин) и с использованием защиты проплава аргоном (5 л/мин).
Таблица 5
Электрические параметры сварки TIG и A-TIG с флюсом SST-27A стали CrNi18-10 толщиной 5 мм.
Электрические параметры
ТИГ сварка (без флюса) А-ТИ Г сварка (с фл юсом)
Величина сварочного тока (I) Напряжение на дуге (U) Энергия дуги (q) Флюс Величина сварочного тока (I) Напряжение на дуге (U) Энергия дуги (q)
[A] [В] [Вт] [A] [В] [Вт]
154,08 8,53 789,2 8 SST-27A 154,08 8,30 767,32
На рис. 12 и 13 представлены фотографии поперечных сечений сварных швов, полученных при сварке TIG и A-TIG пластин из нержавеющей стали CrNi18-10 толщиной 5,0 мм с использованием нового флюса SST-27A.
Рис. 12. Макрошлиф поперечного сечения шва, выполненного при обычной ТИГ сварке стали СгМ18-10.
Рис. 13. Макрошлиф поперечного сечения шва, выполненного при А-ТИГ сварке стали Сг№18-10 с флюсом 5БТ-27А.
Таблица 6
Энергоэффективность дуг TIG и A-TIG с использованием нового флюса SST-27A при сварке стали CrNi18-10
В соответствии с полученными результатами (см. Таблицу 5) использование нового флюса SST-27A при сварке повышает энергоэффективность действия сварочной дуги на её проплавляющую способность дуги в 3,5 раза (Керас> 3,54).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Полученные в настоящей работе результаты показали, что термодинамические и физико-химические свойства индивидуальных флюсов-оксидов оказывают влияние на энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги при А-ТИГ сварке. В соответствии с полученными данными, основными свойствами, влияющими на энергоэффективность проплавляющей способности дуги (Kepac) являются энтальпия образования оксидов (ДН°298), температура плавления (Tmo), температура кипения (Ть°), поверхностного натяжения (а) и энергия ионизации (IE).
2. Установлено, что наибольшая энергоэффективность проплавляющей способности А-ТИГ дуги при сварке нержавеющей стали CrNi18-10 наблюдается при соблюдении следующих условий к термодинамическим и физико-химическим свойствам индивидуальных флюсов-оксидов:
а) Энтальпия образования оксидов (ДН°298):
йН298 > -800 кДж/моль;
б) Температура плавления оксидов (Tm°):
1500оС <T^ <2400"С;
в) Температура кипения оксидов (Ть°):
2500"С <Т1ю <3000 "С;
г) Потенциал ионизации оксидов (IE):
IE > 10,5 эВ;
д) Поверхностное натяжение оксидов (а):
200 мДж/м2 < а <400 мДж/м2
3. Также выявлена очень высокая взаимосвязь между энергоэффективностью проплавляющей способности дуги (Kepac) и температурным интервалом действия флюсов-оксидов (ATliq). Установлено, что повышение величины температурного интервала (ATliq) оксидов способствует росту энергоэффективности проплавляющей способности А-ТИГ дуги.
4. Исходя из требований, выявленных в рамках настоящей работы, к физико-химическим свойствам флюсов-оксидов для сварки нержавеющей стали CrNi18-10, разработан новый состав флюса, состоящий из смеси оксидов, который позволяет повысить энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги до 3,5 раз.
Список литературы:
1. Savytsky, O. M., et al., Characteristics of Constructions and Reliability of Welded Structures in the Combined High-Pressure Vessels (in Ukrainian), Research and Development in the Field of Oil and Gas (2013), 2, pp. 133-143.
2. Savytsky, O. M., Savytsky M. M., Shkrabalyuk Y. M., Vuherer T. and Bajic D.R.: The Influence of Electric Arc Activation on the Speed of heating and the structure of metal in welds. THERMAL SCIENCE, Year 2016, Vol. 20, No. 1, pp. 239-246.
3. R. W. Niles and C. E. Jackson. Weld Thermal Efficiency of the GTAW Process. Welding Journal, January 1975, Res. Suppl,, pp. 25-32.
4. Саидов Р.М., Куш М., Майр П., Хоефер К., Атабаев И.Г., Ахадов Ж.З., Комилова Д.Р., Мухитдинов З.С. - Исследование влияния физико-химических свойств флюсов-оксидов на формирование сварных швов нержавеющих сталей. Computational nanotechnology, №4, 2016, 10-20 с.
5. http://chemister.ru/Database/list-substances.php?substance=F
6. G.V.Samsonov. Physico-chemical properties of oxides. Reference book. Metallurgy. 1978, 465 pp.
7. http://mathbits.com/MathBits/TISection/Statistics2/correlation.htm
8. Ситников Б.В. Влияние параметров режима сварки вольфрамовым электродом в аргоне на силовое воздействие дуги и формирование шва//Энергосбережение-энергетика-энергоаудит.- 2013. - №10(116). -С. 70-76.
9. Островский О.Е., Крюковский В.Н., Бук Б.Б. и др. Влияние активирующих флюсов на проплавляющую способность сварочной дуги и
Метод сварки Флюс Глубина про-плавления (P), [мм] Энергия дуги (q), [В] Энергия дуги на единицу проплавления (q/P), [В/мм] Коэффициент энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Kepac = (q/P)TIG / (q/P>ATIG)
ТИГ Без флюса 1,45 789,28 544,33 3,54
А-ТИГ SST-27A 5,0 767,32 153,46
концентрацию энергии в анодном пятне//Сварочное производство. -1977. - № 3. - С. 3-4.
10. Савицкий М.М., Лесков Г.И. Механизм влияния электроотрицательных элементов на проплавляющую способность дуги с вольфрамовым катодом//Автоматическая сварка. -1980. - № 9. - С. 17-23.
11. Букаров В.А., Ищенко Ю.С, Ерохин А.А. Некоторые характеристики дуги при сварке стали типа 18-8 с окисленной поверхно-стью//Сварочное производство. - 1975. №10, . - С. 3-4.
12. S. Leconte, P. Paillard, P. Chapelle, G. Henrion and J. Saindrenan, Effect of oxide fluxes on activation mechanisms of tungsten inert gas process. Science and Technology of Welding and Joining 2006 VOL 11 No 4, 389-397 pp.
13. Симоник А.Г., Петвиашвили В.И., Иванов А.А. Эффект контракции дугового разряда при введении электроотрицательных элементов/сварочное производство. -1976.-№3.-С. 49-51.
14. K. Ishizaki, et al.; «Interfacial Tension Theory on the Phenomena of Arc Welding, No. 9», J. Japan Welding Society (JWS), Vol. 34, No. 2 (1965), p. 146.
15. K.C.Mills, BJ.Keene, R.F.Brooks, und A. Shirali, «Marangoni effects in welding», Philos. Trans. R. Soc. Math. Phys. Eng. Sci., Bd. 356, Nr. 1739, 1998, S. 911-925.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью Саидова Р.М., Марио Куша, Петер Майра, Кевин Хоефера,
Йонг Хуанга, Комиловой Д.Р. «Исследование энергоэффективности процесса А-ТИГ сварки нержавеющих сталей с использованием индивидуальных флюсов-оксидов»
В настоящей статье приведены результаты исследований по изучению влияния термодинамических и физико-химических свойств оксидных флюсов на энергетическую эффективность сварочной дуги при аргонодуговой сварке (А-ТИГ) нержавеющих сталей, на примере стали марки CrNi18-10.
Целью данных исследований являлось выявление критериев оценки энергоэффективности сварочной дуги А-ТИГ на глубину проплавления свариваемого металла и изучение влияния термодинамических и физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги при различных погонных энергиях сварки. Также по результатам проведенных исследований предполагалось выявление требований к термодинамическим и физико-химическим свойствам индивидуальных флюсов-оксидов, обеспечивающим высокую энергоэффективность проплавляющей способности дуги при А-ТИГ сварке.
В работе в качестве индивидуальных оксидных соединений для исследования влияния их термодинамических и физико-химических
свойств на энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги при ТИГ сварке нержавеющей стали использовались порошки оксидов (MgO, SiO2, TiO2, Cr2O3, WO3 и Co3O4). Флюсы использовались в виде паст, которые получали при смешивании порошков оксидов (с размером частиц не более 100 мкм) и наносились на поверхность кромок свариваемых пластин, толщиной 0,24 мм и шириной до 10 мм.
Степень влияния энергоэффективность проплавляющей способности сварочной дуги оценивалась с помощью коэффициента детерминированности R2. Коэффициент детерминированности находится в диапазоне 0<R2<1, и обозначает силу линейной корреляции между свойствами оксидов и морфологией сварных швов (отношение глубины проплавления к ширине шва - P/L).
В качестве показателя влияния энергии дуги на эффективность проплавления свариваемого металла авторами этой статьи был использован коэффициент энергоэффективности проплавляющей способности дуги (Kepac), который определялся отношением затрат энергий на единицу глубины проплавления (q/P) при ТИГ и А-ТИГ сварке (Kepac = (q/P)TIG/(q/P)ATIG).
В результате проведенных исследований, авторами настоящей работы выявлено влияние термодинамических и физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на энергоэффективность проплавляющей способности дуги (Kepac) и установлена взаимосвязь между этими показателями, со степенями корреляции (коэффициент детерминированности R2). Так, в соответствии с полученными данными, Kepac имеет очень высокую корреляционную связь с такими свойствами оксидов, как температура плавления (Tmo), температура кипения (Тьо), поверхностного натяжения «а» и энергия ионизации (IE) при сварке А-ТИГ как на токе 100А, так и на токе 200А. При этом при сварке на высоком токе (200А) также высокая корреляция наблюдается между Kepac и энтальпией образования оксидов (ДН°298), а при низких токах (100А) с температурой плавления (Tmo), температурой кипения (Tbo), поверхностным натяжением (а) и энергией ионизации (IE).
В соответствии с выявленными требованиями к физико-химическим свойствам флюсов-оксидов в рамках настоящей работы разработан новый состав флюса марки SST-27A, использование которого при А-ТИГ сварке нержавеющей стали CrNi18-10 повышает энергоэффективность действия сварочной дуги на её проплавляющую способность дуги в 3,5 раза (Kepac> 3,54).
Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне и может быть опубликована в открытой печати.
Заведующий лаборатории №1
НПО «Физика-Солнце» АН РУз,
доктор технических наук
Рахимов Р.Х.
