CC BY
16
© Д.П. Ильящснко, 2012
Д.П. Ильяшенко
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КИНЕТИКИ ПРОТЕКАНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ ПОКРЫТЬМИ ЭЛЕКТРОДАМИ С РАЗЛИЧНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА КАПЛЮ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований установлено, что используя источники питания с различными энергетическими характеристиками, можно воздействовать на температуру капель электродного металла, тем самым можем регулировать переход легирующих элементов в наплавленный металл и снизить потери на переход их в шлаковую и газовую составляющие.
Ключевые слова: ручная дуговая сварка, покрьгтые электроды, химический состав, инвертор, выпрямитель, санитарно-гигиенические характеристики.
Исследование процессов плавления, образования и переноса капель электродного металла связанно с большими трудностями. Различные существующие методики объясняют общую картину явлений, однако недостаток экспериментальных данных затрудняет их полную количественную характеристику [1].
Характер перехода капель расплавленного металла оказывает влияние на полноту протекания металлургических процессов при сварке. На частоту перехода капель можно воздействовать имением энергетических характеристик тепловложе-ния в каплю расправленного электродного металла. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами энергетические параметры можно изменять, используя источника питания с различными формами вольт-амперных характеристик.
В работах Новожилова Н.М. [2] приводятся сведения, что удельная поверхность электродных капель примерно в 5—22 раза превышает удельную поверхность сварочной ванны, удельная же скорость окисления металла электродных капель примерно в 39 раз больше, чем удельная скорость окисления металла сварочной ванны. Исследованиями установлено [3],
что химические реакции при сварке почти полностью заканчиваются на стадии образования капли, идет интенсивное взаимодействие капель со шлаком и газом. Следовательно, химическим составом металла сварного шва можно управлять путем воздействия на химический состав капли электродного металла.
В результате анализа осциллограмм от инвертора и диодного выпрямителя (рис. 1) установлено [4] различие энергетических параметров процесса сварки во время образования и переноса капли электродного металла. При сварке инвертор-ным источником амплитуда тока изменяется в пределах 90...140 А, а при сварке диодным выпрямителем — в пределах 80...160 А при том же значении среднего сварочного тока 100 А. Следовательно, изменяется тепловое воздействие дуги на каплю электродного металла. Это подтверждают расчеты выполненные аналитическим методом [3], при сварке от инвер-торного источника питания энергия затрачиваемая на плавление электродного металла за 1 секунду в среднем составляет Рк = 1,13х107Дж (Рк = 0,13х107Дж в каплю), а при сварке от диодного выпрямителя — Рк = 1,25х107 Дж (Рк = 0,16х107Дж в каплю).
I, А; и,В
4,15 4,2 4,25 4,3 4,35 4,4 4,45
время сварки, с
б
Рис. 1. Осциллограммы тока и напряжения (электроды марки ЬБ-52и диаметром 3,2 мм): а — ВД-306; б — МеЬы1а-315
Расчет температуры перегрева капель при их переходе через дуговой промежуток с короткими замыканиями определяется по формуле [1]:
где ДГ^ — превышение средней температуры жидкого металла
на электроде над температурой плавления, К; с — средняя теплоемкость жидкого металла, Дж/К (0,84). — тепловая мощность дуги на торце электрода, Дж/с. К — коэффициент, характеризующий массу металла, которая может быть расплавлена единичной энергией, г/Дж (1,5-10-3). ткз. — время пребывания капли на торце электрода, с.
Массу капель переносимых при каждом переходе капли через дуговой промежуток (при крупнокапельном переносе с замыканием дугового промежутка), можно определить по формуле [1]:
Для диодного выпрямителя 7\^=0,08—012 с; для инвер-
торного источника питания Гк з=0,10—0,14 с.
Выполненные расчеты (по формуле 2) показывают, перегрев капель (среднее значение) электродного металла выше температуры плавления — при сварке от инверторного источника питания составляет 410 0К, для диодного — 480 0К.
Перегрев капель электродного металла ведет к изменению процесса протекания металлургических процессов в капле, и как следствие изменение химического состава наплавленного металла.
Для оценки влияния характеристик энергетических параметров источника питания дуговой сварки, провели исследование по определению потерь легирующих элементов при переходе с электрода в шов.
1. Определили химический состав электродного стержня
(1)
т- 0,33-
(2)
[5].
Таблица 1
Химический состав электродного стержня
Источник пи- Химический состав, %
тания С Мп Б Р Сг N1
ЦЛ-11 0.05 — не 1.50 — не более не 18.50 — 9.00 —
0.09 более 2.00 0.018 более 20.50 10.50
0.70 0.025
ЬБ-52и 0,11 0,02 0,41 0,010 0,021 0,04 0,02
УОНИ 13/55 0,07 0,04 0,38 0,020 0,020 0,02 0,03
2. Определили химический анализ электродного покрытия с помощью рентгенофлюренцентного метода (погрешность составляет менее 0,08 %) использовали прибор рентгенофлуо-ресцентный спектрометр РПС-3000.
Таблица 3
Химический состав электродного покрытия в оксидах
Электрод СаО 8Ю2 Ре2Оз ТЮ2 МпО Д1гОз К2О МдО МО Сг2Оз ВаО
ЦЛ-11 63,10 10,31 4,06 7,43 3,08 0,51 3,47 - 2,29 2,79 2,58
ЬБ 52и 42,63 21,29 12,89 9,84 6,64 3,38 3,80 - -
УОНИ 47,78 20,87 9,59 3,34 7,79 5,50 2,39 2,71 -
13/55
Таблица 4
Химический состав электродного покрытия в металлах
Электрод Са Ре Т1 Мп Д1 К Мд Сг
ЦЛ-11 66,93 5,93 4,44 7,81 4,02 - 3,93 - 3,30 3,61
ЬБ 52и 46,30 13,28 15,67 9,94 8,62 2,19 3,72 - 0,07 -
УОНИ13/55 52,59 13,12 11,66 3,23 10,54 3,76 2,82 2,24 - -
3 Определили химический состав наплавленного электродного металла.
По разработанной методике (для устранения перемешивания электродного металла и основного) производили наплавку валика на медную пластину:
• установили в паз медной пластины стержень электрода 2 очищенный от покрытия (рис. 2) для обеспечения токопод-вода;
• произвели наплавку валика электродом 1 на медную пластину 5.
• извлекли наплавленный валик из паза медной пластины.
• определили химический состав наплавленного металла (табл.
5) и шлака собранного с поверхности наплавленного металла (табл.
6) определяли методом спектрального анализа с использование сти-лоскопа.
Анализ данных таблиц 5 и 6, показывают увеличение доли легирующих элементов (Мп, Б1) в наплавленном металле и уменьшение доли оксидов (ЭЮ2, МпО) в шлаковой фазе при использовании инвертора, по сравнению с диодным выпрямителем.
4 Определить химический состав воздуха рабочей зоны:
В работе [6] установлено, что величина сварочного тока является одним из основных факторов определяющим химический состав сварочного аэрозоля и интенсивности оптических излучений, т.о. тип источника питания оказывает влияние и на санитарно-гигиенические характеристики воздуха рабочей зоны сварщика.
Ручная дуговая сварка производилась на стальных образцах из стали 09Г2С покрытыми электродами марки ЬБ-52и. В процессе исследования выявили валовые выделения пыли и газов при РДС покрытыми электродами (с использованием различных типов источников питания) в лабораторных условиях, при этом определяли количество пыли, образующейся при сварке, и ее химический состав, содержание в пыли марганца, качественный и количественный состав дисперсионной среды образующегося сварочного аэрозоля. Отбор проб воздуха для определения уровня загрязнения воздушной среды проводился в зоне дыхания сварщика. В исследованиях использовали следующие оборудование: аспиратор для отбора проб воздуха модель 822; барометр-анероид БАММ-1; психрометр аспира-ционный МВ-4М; газоанализатор «ЭЛАН-С0-50».
Аспиратор работал 20 минут при каждом отборе пробы, протягивая за это время 0,2м3 воздуха. Количество образую-
шейся при сварке ТССА (сварочный аэрозоль, хромовый ангидрид, оксид хрома, марганец) определяли по разности весов фильтров, через которые осушествлялось протягивание воздуха:
р М! - М 2 Р V ,
где Mi — масса фильтра после сварки и контрольного времени, г; М2 — исходная масса фильтра, г; V — объем протянутого через фильтр воздуха, м3.
Полученные результаты исследования составляюших компонентов сварочной аэрозоли образуюшейся при РДС (вытяжная вентиляция выключена) с применением различных типов источника питания представлены в таблице 7.
Из табл. 7 видно, что при использовании инверторного источника питания наблюдается меньшая концентрация сварочной аэрозоли и марганца, т.е. снижается риск токсичного отравления и воспаления слизистой оболочки дыхательных путей сваршика и вспомогательных рабочих.
5. Определили химический состав сварного соединения [5]
Для проведения исследования были заварены образцы от различных источников питания: диодного выпрямителя ВД-306 и инвертора нового поколения Nebula-315:
1 — сварку трубы (соединение С17 [8])159х6 из стали 09Г2С производили электродами: корень — LB-52U (d=2,6 мм), сварочный ток I = 50—60 А, заполнение — LB-52U У=3,2мм), сварочный ток I = 80 — 90 A.
2 — сварку пластин (соединение С17 [8]) толшиной 10 мм из стали 45 производили (см. рисунок 3) в 4 слоя, электродами: корень — УОНИ 13/55 (d = 3 мм), сварочный ток I = 80—90 А; заполнение — УОНИ 13/55 (d = 4 мм), сварочный ток I = i20—i30 А, с предварительным подогревом деталей до 300 оС и последуюшим медленным охлаждением (укрытие тепло-изолятором, асбестовое волокно, до полного остывания).
3 — сварку пластин (соединение C7 [8]) толшиной 3 мм из стали 12Х18Н9Т производили электродами марки ЦД 11 типа 08Х20Н9Г2Б (d = 3 мм), сварочный ток I = 70—80 А.
Анализ данных табл. 8,9,10 показываю большее количество Mn и Si, это связанно в более высоким коэффициентом перехода легируюших элементов в сварной шов из сварочных электродов, при использовании инвертора Nebula 315.
9 Таблица 5
Oi
Химический состав наплавленного электродного металла
Электрод, тип источника питания Si, % Mn, % Cr, % Ni, %
ЦЛ-11, ВД 306 0,29 2,44 11.43 8.10
ЦЛ-11, Nebula 315 0,39 2,48 11.85 8. 59
LB 52U, ВД 306 0,17 0,72 0,05 0,05
LB 52U, Nebula 315 0,33 1,00 0,08 0,06
УОНИ 13/55, ВД 306 0,25 0,94 0,05 0,06
УОНИ 13/55, Nebula 315 0,33 1,10 0,10 0,06
Таблица 6
Среднестатистический химический состав шлаков
Электроды Источник питания СаО, % SiO2, % TiO2, % NbO, % MnO, % Fe2O3, % Cr2O3, % Д120з, % MgO, % BaO, %
ЦЁ-11 ВД-306 60,64 12,48 7,27 6,31 3,53 3,49 3,29 1,27
Nebula 62,33 12,14 6,31 5,67 3,48 2,33 2,74 0,76 2,26
315
LB-52U ВД-306 38,66 25,37 9,57 0,10 7,21 13,89 0,17 3,61
Nebula 36,27 24,187 8,74 0,05 7,48 18,31 0,15 3,66
315
УОНИ 13\55 ВД-306 50,95 24,18 3,95 0,02 4,93 4,35 - 7,57 3,11
Nebula 47,44 23,65 3,84 0,02 5,80 8,39 - 7,16 2,88
315
Таблица 7
Результаты анализа выделений пыли, газов и других примесей при РДС с использованием различных типов источника питания
Условия отбора Наименование Единица Источник питания Предельно
проб определяемого элемента измерения Инвертор Диодный выпрямитель допустимая концентрация [7]
Материалы ЬБ - Углерода оксид мг/м1 0,05 0,05 20,0
52и Ш 3,2 мм, Сталь 09Г2С Двуокись азота Фтористый водород Сварочный аэрозоль менее 0,6 менее 0,02 2,2 менее 0,6 менее 0,02 3,6 2,0 0,5
Хромовый менее 0,003 менее 0,003 0,01
ангидрид
Оксид хрома менее 0,5 менее 0,5 1,0
Марганец 0,10±0,03 0,15±0,03 0,6
Таблица 8
Среднестатистический химический состав металла сварных швов, выполненных из трубы Ш159Ч6 (сталь 09Г2С) электродами марки ЬБ 52и
Источник питания Химический состав, %
С Мп Б Р Сг N1 Си
Диодный 0,10 0,52 1,03 0,010 0,014 0,03 0,05 0,03
выпрямитель
Инвертор 0,09 0,60 1,23 0,010 0,014 0,03 0,06 0,03
9 Таблица 9 ас
Среднестатистический химический состав металла сварных швов, выполненных из стали 45 электродами марки УОНИ 13/55
Источник питания Химический состав, %
С Мп Р Сг N1 Си
Диодный выпрямитель 0,11 0,30 0,92 0,019 0,06 0,05 0,09
Инвертор 0,12 0,31 1,00 0,02 0,06 0,06 0,10
Таблица 10
Среднестатистический химический состав металла сварных швов, вьтолненных из стали 12Х18Н9Т полученных электродами марки ЦП 11 типа 08Х20Н9Г2Б
Тип источника Химический состав, %
питания С Мп Б Р Сг N1 №
Диодный выпрямитель 0,12 0,80 1,04 0,008 0,018 18,08 9,23 0,70
Инвертор 0,12 0,82 1,23 0,008 0,018 18,45 10,01 0,70
Рис. 3. Схема наложения швов
Результаты проведенных исследований показывают, что используя источники питания с различными энергетическими характеристиками, можно воздействовать на температуру капель электродного металла, тем самым можем регулировать переход легирующих элементов в наплавленный металл и снизить потери на переход их в шлаковую и газовую составляющие.
1. Федько В. Т., Чипалюк А. С. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке покрытыми электродами // Сварочное производство. — 2003. № 2 С.3—11.
2. Мазель А.Г. Технологические свойства электросварочной дуги. «Машиностроение», 1969, 178 с.
3. Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах. М. — Машиностроение. — 1979. — 231 с.
4. Ильященко Д.П. Влияние типа источника питания на тепло — и мас-соперенос при ручной дуговой сварке/ Д.П. Ильященко, Д.А. Чинахов/ Сварка и диагностика. 2010. № 6. С. 27—30
5. ГОСТ 22536. 1, ГОСТ 22536.9 Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения: углерода (1); серы (2); фосфора(3); крем-ния(4); марганца (5); хрома (7); меди (8); никелья (9).
6. Ильященко Д.П., Койнов А.В., Тюрин Д.В. Санитарно-гигиенические характеристики ручной дуговой сварки покрытым электродом при использовании инверторного источника питания //Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых уче-
ных — Юрга, ЮТИ ТПУ, 20—21 мая 2010. — Томск: Изд. ТПУ, 2010. — с.
7. ГН 2.2.5.1313 — 03 Предельные допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.
8. ГОСТ 6996—70. Сварные соединения. Методы определения механических свойств (ИСО 4136—89, ИСО 5173—81, ИСО 5177—81). ¡ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Ильященко Дмитрий Павлович — старший преподаватель, е-та11:тНа8@гатЬ1ег.ги, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
44—46.
