CC BY
3
DETERMINATION OF OPTIMAL WELDING MODES OF RESERVOIRS FOR THE CHEMICAL INDUSTRY, TAKING INTO ACCOUNT THE PRODUCTIVITY OF THE PROCESS
A.O. Dolzhnikova
The article presents the results of studies of the effect of the value of the energy content on the quality of weld metal in the production of a tank for the chemical industry, made of corrosion-resistant steel 12X18H10T. The results of metallographic studies and strength tests of welded joints are shown. On their basis, technological solutions have been developed (welding modes have been determined), allowing to obtain high-quality welded joints with the provision of maximum productivity of the process.
Key words: submerged arc welding, reservoir, welding modes, linear energy, strength.
Doljnikova Alina Olegovna, master, alya.dolzhnikova00@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical
University,
Scientific supervisor: Neverov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, svarka_lip@mail. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.791
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-401-402
МЕТОДИКА CПЕКТРОГРАФИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПЛАЗМЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПРИ СВАРКЕ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В АРГОНЕ
А.С. Бабкин, Н.С. Котов
В работе представлена методика получения спектра излучения приэлектродных областей сварочной дуги в аргоне с неплавящимся электродом. Описаны использованные спектрографические приборы, оптика, экспериментальная установка и даны схемы измерения. Приведены полученные с использованием методики спектры при-электродных областей сварочной дуги
Ключевые слова: сварка неплавящимся электродом в аргоне, электрическая дуга, приэлектродные области дуги, спектроскопия, оксиды металлов.
Известно [1], что применение однопроходной сварки вольфрамовым электродом в аргоне (TIG) стыковых соединений ограничено толщиной металла 4 мм. Одним из методов увеличения проплавляющей способности сварки вольфрамовым электродом в аргоне является применение оксидов металлов и фторидов как флюсов. Применяют как отдельные оксиды и фториды, так и их смеси. Такой метод сварки получил наименование «сварка с активирующими флюсами», в зарубежной научно-технической литературе обозначаемая как A-TIG. Этому методу сварки посвящено достаточно много работ и накоплено много экспериментальных данных. Так, в типичной работе такого рода Saha S. и Das S. [2] исследовали влияние оксидов металлов TiO2, Fe2O3 и &2O3 на размеры сварочной ванны. Было установлено, что при использовании TiO2, Fe2O3 увеличивается глубина проплавления, уменьшаются ширина и усиление сварного шва за счет, как считают авторы, изменения направления движения металла в сварочной ванне под действием эффекта Марангони и сжатия дуги. При применении оксида &2O3 не было отмечено изменения глубины проплавления, так как он не влияет на характеристики дуги [2]. В исследовании [3] изучали влияние оксидов SiO2, TiO2, &2O3 и CaO на размеры шва при TIG сварке аустенитной стали 316L. Экспериментальные результаты показали, что максимальное отношение глубины проплавления к ширине шва нержавеющей стали было получено, когда плотность покрытия составляла 2, 6, 1, 3, 2 и 7, 8 мг/см2 для SiO2, TiO2, &2O3 и CaO соответственно. Оксид SiO2 оказывает наибольшее влияние на увеличение глубины провара при A-TIG. Известно, что кислород является поверхностно-активным элементом для нержавеющей стали. В работе [3] установлено, что в диапазоне 70-150 ppm (частей на миллион) кислорода в сварочной ванне отношение глубины/ширины сварного шва внезапно увеличилось, однако, за пределами этого диапазона не наблюдалось влияния на увеличение глубины провара.
Температура и состав плазмы электрической дуги являются важными характеристиками электрической дуги. Температура областей плазмы электрической дуги при сварке TIG спектроскопическим методом определена А. Бертье и др. в работе [4] при использовании флюса в виде фторида магния MgF2. В прикатодной области отмечен рост температуры до 12000 К, а в прианодной области до 4000 К. [4] по сравнению с TIG.
Однако исследований влияния оксидов металлов на распределение температур в плазме дуги электрической дуги и ее состав при использовании оксидов металлов как флюсов нами не обнаружено, между тем понятно, что изменение температуры и состава плазмы приэлектродных областей играет существенную роль в процессах плавления металла и формирования шва. Представляет интерес изучение температурного режима и состава плазмы для оценки влияния продуктов распада оксидов на температуру и состав плазмы при сварке в аргоне вольфрамовым электродом аустенитных сталей.
С этой целью нами была собрана установка, разработана и опробована методика регистрации излучения приэлектродных областей сварочной дуги спектрографическими методами.
Условия эксперимента. Температуру неподвижной сварочной дуги измеряли в процессе ее горения в аргоне между неплавящимся электродом и стальным образцом с применением флюсов на основе оксидов металлов. Использовали образцы размером 40х150х4 мм из стали 08Х18Н9T [5]. Для проведения экспериментов была собрана установка, показанная на рис. 1. Она состоит из спектрографа ДФС-452 (1) с многоканальным оптическим регистратором спектра МОРС (2), компьютера (3) с программным обеспечением для получения и обработки спектрограмм, осветительной системы (4), ртутной лампы (5), образца (6) установленного на регулируемом по высоте столике (7), инверторного источника питания Технотрон DC200AY.3 (8), с баллонном аргона (9) и горелкой Abicor Binzel ABITIG 17 GRIP9 (10).
Для сварки применяли легированный церием вольфрамовый электрод WC-20 ISO 6848 диаметром 3,2 мм с углом заточки 40±2° и притуплением 0-0,5 мм. Электроды использовались до момента визуально заметной их эрозии; электроды с оплавленными кончиками не использовались.
Опыты проводили на токе 60-61А с постоянным дуговым промежутком 4мм. Напряжение на дуге изменялось от 9 до 12 В в зависимости от используемого оксида.
Съемку спектров осуществляли на дифракционной решетке 600 штр. /мм во втором порядке. Ширина щели спектрографа была постоянна во время проведения опытов и составляла 0,025 мм. Время горения дуги составляло от 20 до 40 с.
Осветительная система, помеченная на рис. 1 как (4), предназначена для трансляции излучения какой-либо части сварочной дуги в спектрограф. Она состоит из системы линз (рис. 2), передающих излучение электрической дуги на входную щель (6) спектрографа: собирающей линзы (1), светофильтра НС-3 [6] (2), необходимого для уменьшения шума в системе, лепестковой диафрагмы (3), внутри которой установлена рассеивающая линза, и двух собирающих линз (4) и (5).
12 3 i
V
ф-
/ущрп
M--S-H
Рис. 2. Схема осветительной системы: 1- собирающая линза; 2- светофильтр; 3 - лепестковая диафрагма с рассеивающей линзой; 4 - собирающая линза; 5- собирающая линза; 6-входная щель спектрографа;
7- вольфрамовый электрод; 8- образец
Изображение сварочной дуги, проецируемое через линзу (1) и нейтральный светофильтр (2), увеличивается (рис. 3) линзой (1), затем посредством лепестковой диафрагмы (3) вырезается необходимый для изучения участок дуги, который далее увеличивается с помощью рассеивающей линзы (3). Вырезанный и увеличенный участок дуги передается посредством двух собирающих линз (4) и (5) на входную щель спектрографа (6) размером 15 мм, равномерно освещая ее по всей длине.
<
*
Рис 3. Перевернутое увеличенное изображение прикатодной области дуги в плоскости лепестковой диафрагмы
Аппаратные и программные средства визуализации спектра. Дифракционный спектрограф ДФС-452 предназначен для спектрографических работ при исследовании спектров испускания, требующих достаточно высокой дисперсии в широком спектральном диапазоне 190-1100 нм. Имеет зеркальный объектив с фокусным расстоянием 1000 мм и относительным отверстием 1:20; дифракционные решетки 600 и 1200 штр./мм. С решеткой 600 штр./мм во втором порядке спектрограф обеспечивает обратную линейную дисперсию 0,8-0,63 нм/мм.
Визуализация спектров в электронном виде и их обработка проводилась аппаратными и программными средствами, разработанными сотрудником Института Спектроскопии АН РФ к.т.н. Силкисом Э.Г. [7], которые объединены в многоканальную оптическую регистрирующую систему (МОРС). МОРС включает установленную на
спектрографе фотоэлектронную кассету с одной ПЗС LX511 SONY, работающей в спектральном диапазоне 270-950 нм программное обеспечение. Процессы визуализации спектра и его обработки (калибровку спектра, идентификацию спектральных линий и измерение их интенсивностей) обеспечивала программа SRW, обслуживающая МОРС.
Настройка оптической системы. Систему спектрографирования юстировали как по прямому ходу лучей, т.е. от места горения сварочной дуги к щели спектрографа с помощью ртутной газоразрядной лампы типа ДРТ-120, так и обратно - от щели спектрографа к месту горения сварочной дуги, с помощью встроенной системы подсветки спектрографа. В первом случае получили равномерно освещенную входную щель спектрографа, а во втором - свет, выходящий из щели спектрографа, пройдя систему линз, отчетливо виден в середине дугового промежутка.
Для определения температуры в приэлектродных областях, изменяли положение образца относительно оптической оси с помощью регулируемого по высоте столика. Для исследования прикатодной области опускали систему «электрод-образец» или поднимали ее для исследования прианодной области как показано на рис. 4, при этом длина дуги оставалась постоянной.
Рис. 4. Положение системы «электрод-образец» относительно оптической оси при исследовании прианодной
области (а) и прикатодной области (б) сварочной дуги
При съёмке прианодной области свет из щели спектрографа, проходя осветительную систему, должен попадать на верхнюю кромку образца, а при съемке прикатодной - на кончик вольфрамового электрода.
Калибровка спектра дуги. Для калибровки спектров сварочной дуги по известным спектральным линиям был снят спектр, излучаемый парами ртути дуговой разрядной лампы типа ДРТ-120 в диапазоне длин волн 300-400 нм.
В дальнейшем на снятый в диапазоне длин волн 300-400 нм спектр излучения дуги накладывали средствами программы SRW ранее полученный спектр ртути, что позволяло идентифицировать некоторые спектральные линии и использовать их как реперы для калибровки и дальнейшего изучения спектра.
Оксиды металлов и подготовка образцов и флюсов. Образцы из стали 08Х18Н9Т обрабатывали мелкозернистой наждачной бумагой и протирали спиртом для обезжиривания поверхности.
Флюс для нанесения на поверхность образца приготавливали следующим способом: в чашке Петри смешивали 0,5 г порошка оксида металла и 1 мл ацетона; полученную смесь перемешивали до образования однородной пасты. Взвешивание оксидов и пасты после приготовления проводили на электронных весах ВК-3000 с ценой деления 0,05 г. Далее пастообразную смесь оксида и ацетона наносили кисточкой на поверхность образца, закрепленного на столике через трафарет 150х10 мм. Зажигание электрической дуги и регистрацию ее излучения производили после испарения ацетона.
Алгоритм проведения эксперимента. Образец из стали 08Х18Н9Т закрепляли на регулируемом столике. Длину 4 мм дугового промежутка устанавливали с помощью концевых плоскопараллельных мер длины [8].
Затем производили юстировку оптической системы с помощью встроенной системы подсветки в спектрографе и ртутной лампы. После этого настраивали экспериментальную установку для снятия спектра прианодной либо прикатодной области (см. рис. 4).
Л 1UI ПН A JvUMwJkiiy
Рис. 5. Спектр прианодной области при использовании оксида TiO2, в диапазоне длин волн 410-440 н.м.
По завершению операций юстировки и настройки экспериментальной системы на поверхность установленного образца наносили кисточкой пастообразную смесь порошка оксида и ацетона и ожидали полного испарения ацетона.
При закрытой щели спектрографа измеряли фон для учета шума прибора. Коротким замыканием возбуждали дугу и открывали входную щель спектрографа. Спектр излучения дугового пространства регистрировался средствами аппаратного и программного обеспечения МОРС и транслировался на экран монитора. Для дальнейшей обработки зарегистрированного спектра программными средствами МОРС создавали электронный файл и записывали его винчестерский диск ПК.
Для каждого оксида были произведены регистрация излучения катодной и анодной областей электрической дуги.
Характерные спектры областей дуги приведены на рис. 5 и 6.
Рис. 6. Спектр прикатодной области при использовании оксида TiO2, в диапазоне длин волн 410-440 н.м
Полученные спектры существенно отличаются друг от друга. На рис. 5 виден значительный спектрографический фон у поверхности анода; очевидно, он связан с большим количеством тепловых электронов, стремящихся к аноду - сварочной ванне. Наоборот, у поверхности катода рис. 6 совершенно нет спектрографического фона, о чем можно судить по почти прямой линии в основании спектра прикатодной области дуги. Кроме того, на спектрах не совпадают пики спектральных линий, что свидетельствует о различном элементном (химическом) составе исследуемых областей сварочной дуги.
Вывод. Разработаны и опробованы методика и установка получения спектрограмм излучения из различных участков сварочной дуги, горящей в аргоне между вольфрамовым электродом и стальной пластиной. Получены спектры плазмы прианодной и прикатодной областей сварочной дуги при сварке A-TIG аустенитной стали 08Х18Н9Т; информация, содержащаяся в них, позволит определить температуру и состав этих областей.
Список литературы
1. ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. М.: Стандартиформ, 1977. 39 с.
2. Saha S. Effect of Polarity and Oxide Fluxes on Weld-bead Geometry in Activated Tungsten Inert Gas (A-TIG) Welding / S. Saha, S. Das // Journal of Welding and Joining. 2020. P. 380 - 388.
3. E. Ahmadi. Welding of 316L Austenitic Stainless Steel with Activated Tungsten Inert Gas Process / E. Ah-madi, A.R. Ebrahimi // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. 7 p.
4. A. Berthier. TIG and A-TIG welding experimental investigations and comparison with simulation Part 2 - arc constriction and arc temperature / A. Berthier, P. Paillard, M. Carin, S. Pellerin and F. Valensi // Science and Technology of Welding and Joining. 2012. 6 p.
5. ГОСТ 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно - стойкие, жаростойкие и жаропрочные. М.: Стандартиформ, 2015. 54 с.
6. ГОСТ 24179-80. Светофильтры, светофильтры - линзы, линзы, рассеиватели и отклоняющие вставки стеклянные для сигнальных приборов железнодорожного транспорта. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1980. 45 с.
7. Институт системно-стратегического анализа. [Электронный ресурс] URL: http://system-strategy.org (дата обращения: 12.04.2023).
8. ГОСТ 9038-90. Меры длины концевые плоскопараллельные. М.: ИПК издательство стандартов, 1991.
14 с.
Бабкин Александр Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, bas-43@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Котов Никита Сергеевич, магистрант, kotovn85@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
METHOD OF SPECTROGRAPHIC INVESTIGATION OF NEAR-ELECTRODE PLASMA REGIONS OF AN ELECTRIC ARC DURING WELDING WITH NON-CONSUMABLE ELECTRODE IN ARGON
A.S. Babkin, N.S. Kotov
The paper presents a technique for obtaining the radiation spectrum of the electrode regions of the welding arc in argon with a non-consumable electrode. The used spectrographic instruments, optics, experimental setup are described and measurement schemes are given. The spectra of the near-electrode regions of the welding arc obtained using the technique are presented.
Key words: welding with a non-consumable electrode in argon, electric arc, near-electrode arc regions, spec-troscopy, metal oxides.
Babkin Alexander Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, bas-43@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Kotov Nikita Sergeevich, master's, kotovn85@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
