Моделирование процесса формирования состава наплавленного металла при ручной дуговой сварке Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Georgy Mladenov, doctor of physical and mathematical sciences, professor, a member of the core. BAS, gmmladenov@abv.bg, Bulgaria, Sofia, Bulgarian Academy of Sciences

УДК 621.791

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ПРИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Е.Б. Вотинова, М.П. Шалимов

Известные методы термодинамического и кинетического анализа, а также данные о механизме отдельных стадий гетерогенных реакций при моделировании ручной дуговой сварки не позволяют получить достаточно адекватную модель процесса и использовать ее для дальнейших расчетов. Это связано, прежде всего, со скоростью и кратковременностью протекания взаимодействия, а также невозможностью достоверно оценить площадь взаимодействия. Поэтому была предложена физическая и математическая модели процесса ручной дуговой сварки, основанные на полном материальном балансе каждого из элементов в каждой из фаз.

Ключевые слова: ручная дуговая сварка, моделирование, коэффициент перехода элемента, состав металла шва.

Современные тенденции развития науки и техники характеризуются разработкой, внедрением и широким использованием различных моделей, создаваемых как на базе традиционного экспериментального подхода, так и с применением новейших информационных технологий [1].

На сегодняшний день применяются такие подходы к оценке состава металла шва, как расчет по смешению, расчет с учетом коэффициентов перехода, использование регрессионных уравнений, термодинамические или кинетические расчеты.

Расчет состава шва по смешению удобен для предварительной оценки, однако дает приблизительный результат. Модель, основанная только на регрессионных уравнениях, дающих зависимость коэффициентов перехода от одного-двух параметров, является узкоприменимой [2, 3]. Отсутствие равновесия при сварке, сложность и недостоверность определения скоростей и времени взаимодействия, а также значений межфазных площадей

134

при ручной дуговой сварке затрудняют использование термодинамических и кинетических моделей и, как следствие, не обеспечивают получение адекватных и надежных результатов [4, 5].

На основании предложенной физической модели составим математическую модель процесса ручной дуговой сварки, основанную на полном материальном балансе в каждой из фаз.

Физическая модель процесса ручной дуговой сварки. Физическая модель - установка, устройство или приспособление, воспроизводящее в том или ином масштабе натурный объект при сохранении физического (динамического) подобия процессов в модели и натуре. При физическом моделировании реальному объекту ставится в соответствие его увеличенный или уменьшенный материальный аналог, допускающий исследование, как правило, в лабораторных условиях, и последующее перенесение свойств изучаемых процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия [1].

Процесс сварки является достаточно сложным для изучения. Такие факторы, как высокая температура металла, скорость протекания реакций и самого процесса, зависимость конечного результата (состав, качество металла шва) от многих факторов, не позволяют изучать данный процесс непосредственно на объекте. Требуется применение модели.

Физическая модель процесса сварки покрытыми электродами необходима для описания всех процессов, протекающих в зоне сварки с момента зажигания дуги и до момента окончания сварки (или достижения квазистационарного состояния). Для создания физической модели необходимо учесть следующие физические процессы, протекающие в зоне сварки:

- нагрев электрода проходящим током и теплотой дуги;

- плавление основного металла;

- плавление электрода;

- химическое взаимодействие компонентов;

- перенос электродного металла в сварочную ванну;

- перемешивание основного и электродного металлов;

- кристаллизация метала шва.

Все вышеизложенное можно представить на рисунке [6]: электрод является поставщиком металлических капель, которые формируют наплавленный металл. Капли формируются из стержня, металлической части покрытия и металла, восстановленного из шлака. Весь этот металл переходит в сварочную ванну, смешивается с основным металлом и после кристаллизации образует сварной шов [7].

На основании имеющихся в настоящий момент данных можно предложить следующую схему физико-химических процессов, протекающих при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.

135

Дуга прямого действия горит между электродом и основным металлом. При этом конец покрытого электрода нагревается до температуры порядка 2100-2300 °С. Нагрев до таких температур происходит за счет теплоты сварочной дуги, а также теплоты, выделяющейся в самом электроде при прохождении через него сварочного тока.

Теплотой дуги расплавляются стержень электрода, покрытие электрода и основной металл. Покрытие представляет собой смесь различных минералов, органических веществ и металлических добавок в дисперсном состоянии, сцементированных жидким стеклом или другими связующими. Плавление покрытия, так же как и электродного стержня, происходит за счет теплоты дуги, теплоты химических реакций, протекающих при плавлении покрытия, и теплоты, выделяемой током при прохождении по стержню электрода. Роль последней при обычных режимах сварки не велика. Следует отметить, что покрытие плавится медленнее, чем стержень, поэтому на торце электрода возникает втулочка из покрытия.

Процесс плавления электрода разделим на три стадии, различающиеся по температурным, геометрическим, гидродинамическим и физико-химическим характеристикам. Первая стадия - это нагрев и плавление электрода. Она, в свою очередь, подразделяется на нагрев электрода до плавления и плавление. Во время нагрева происходят такие процессы, как диссоциация различных соединений, испарение воды, окисление ферросплавов и взаимодействие шихтовых материалов в твердом состоянии. На подстадии плавления образуются три вида капель: капли металла, капли шлака и капли металла, покрытые шлаком. Вторая стадия - это перенос капель от электрода в ванну (стадия капли), и третья - стадия формирования ванны. В этот период происходит множество разнообразных взаимодействий: капель металла и капель шлака с газовой фазой и между собой, ферросплавов со шлаком. Эти взаимодействия показаны на рисунке стрелками.

Капля металла, сформировавшаяся на торце электрода, может состоять из расплавившихся стержня и металлических компонентов шихты. Кроме того, капли могут быть покрыты жидким шлаком, сформировавшимся в основном при плавлении неметаллических компонентов обмазки. На границе металлической капли и жидкого шлака могут протекать окислительно-восстановительные процессы, изменяющие состав фаз. Таким образом, компоненты покрытия, в зависимости от его состава, расходуются на формирование металлической и шлаковой ванн. Сварочная ванна формируется из расплавленного электродного (капли) и основного металлов за счет перемешивания различных компонентов в данный момент времени. Так как шлак имеет меньшую плотность, чем металл, он всплывает на поверхность сварочной ванны. По мере поступательного движения электрода сварочная ванна кристаллизуется, образуя сварной шов, покрытый шлаковой коркой.

Физическая модель сварки покрытыми электродами: 1 - плавление электродного стержня и формирование металлической капли;

2 - плавление металлической части электродного покрытия и формирование металлической капли; 3 - плавление неметаллической части электродного покрытия и формирование шлаковой пленки;

4 - перенос элементов из шлаковой пленки в металлическую каплю и из металлической капли и шлаковую пленку (в виде оксидов);

5- перенос капель металла в металлический расплав; 6 - перенос шлаковой пленки в шлаковый расплав; 7 - плавление основного металла и формирование сварочной ванны; 8 - затвердевание шлакового расплава; 9 - кристаллизация металлического расплава

В реакционной зоне формируется поле достаточно высоких температур, из-за чего некоторая доля элементов металла и компонентов шлака испаряется. Вектор сил, действующих на каплю, может быть направлен не перпендикулярно вниз, а в любом другом направлении, поэтому необходимо учитывать такое явление, как разбрызгивание. Согласно литературным данным суммарное количество испарившегося металла в процессе ручной дуговой сварки составляет не более 5 %, что сопоставимо с ошибкой эксперимента. Потери металла на разбрызгивание могут составлять от 5 до 20 %, поэтому этой величиной пренебрегать нельзя. Потери на разбрызгивание определяются силой сварочного тока (размером и частотой перехода капель, типом переноса электродного металла), а также некоторыми другими факторами.

Таким образом, разработана физическая модель, которая показывает структуру процесса, взаимодействие и перенос компонентов, а также формирование металлической и шлаковой ванн.

Математическая модель процесса ручной дуговой сварки. Для разработки рационального состава электродных покрытий необходимо знание процессов, протекающих в дуговом промежутке и при формировании сварного шва. Экспериментальное их изучение и теоретическое описание позволят установить полноту перехода элементов из электродного стержня и покрытия, а также оценить доли участия основного и присадочного металлов в сварном соединении.

Для разработки математической модели процесса сварки опишем балансовыми уравнениями, учитывающими переход всех элементов в металлическую и шлаковую ванны, их исчезновение (выгорание, окисление) и прирост (восстановление).

На основании описанного выше физического представления о процессе при выводе уравнения модели был принят ряд допущений и упрощений:

- примем, что для данного типа сварочных материалов суммарный эффект всех реакций с участием данного элемента на всех стадиях можно оценить усредненным коэффициентом перехода п, сохраняющим постоянное значение в определенном диапазоне применяемого вида и состава шихтовых материалов;

- корректировку массы вещества на количество испарившегося металла отдельно от других потерь производить не будем, т.к. это более усложнит расчет, чем приведет к значительному повышению его точности;

- так как количество металла, потерянного на разбрызгивание, зависит от параметров режима сварки, в модели должен быть предусмотрен коэффициент, учитывающий влияние сварочного тока на коэффициент перехода элемента, т.е. будем считать, что в модели учтены потери на разбрызгивание и испарение.

Степень (полноту) развития реакции на каждой стадии с участием элемента / в металле можно охарактеризовать коэффициентом перехода (усвоения), понимаемым как доля массы элемента, остающаяся в наплавленном металле (металле шва):

п = *. (1)

т

где пI - коэффициент перехода элемента /; т^ - масса элемента ¡, сохранившаяся в данном объёме металла (на данной стадии) после взаимодействия, кг; т° - первоначальная масса элемента / в металле, рассчитываемая путём суммирования масс элемента / во всех металлических компонентах сварочных электродов, кг.

Очевидно, что величина (1- п,) представляет собой степень окисления (потерю) элемента , на данной стадии.

Значения п , для каждого элемента на разных стадиях могут существенно различаться. Так, на стадии нагрева можно ожидать окисления большинства компонентов (п, <1), особенно элементов с большим химическим сродством к кислороду (Мп, Т,, А1). На стадии капли, напротив, те же самые элементы заметно восстанавливаются (п, >1).

Величина п, определяется как

, напл.

_ - т, (2)

п " напл.О , (2)

т

где п, - усреднённый коэффициент перехода элемента в наплавленный ме-

, напл. • / 1

талл; т, - масса элемента I в наплавленном металле, кг, (реальная);

напл.О г

т,, - масса элемента I в наплавленном металле без учёта химических

реакций, кг.

Исходя из физической картины процесса, разделим создание математической модели на 2 этапа:

1 - формирование состава наплавленного металла, что позволит оценить адекватность математической модели по известным литературным данным;

2 - формирование состава сварного шва.

Рассмотрим математическую модель формирования наплавленного металла при сварке покрытыми электродами. Общий (усредненный) коэффициент перехода элемента показывает, какая доля элемента теряется в процессе сварке. При плавлении электрода протекают следующие процессы в дуговом промежутке:

- плавление стержня электрода и формирование капель металла;

- плавление металлической части покрытия электрода (ферроком-понентов) и формирование капель металла;

- плавление неметаллической части покрытия электрода (оксидов, органических соединений) и формирование капель шлака;

- удаление газообразных компонентов из зоны сварки;

- восстановление металлических компонентов из оксидов шлака.

В соответствии с выделенными процессами, протекающими при плавлении электрода, введем следующие обозначения:

КЭ - доля массы компонента Э, металлической части покрытия электрода, окисляемой газом;

КЭ - доля массы компонента Э, металла стержня, окисляемой газом;

К33i - доля массы оксида компонента Эг неметаллической части покрытия, переходящей в металл в результате реакций восстановления на стадии капли.

Э Э

Введем уравнения, связывающие величины К2 1 и К^ 1 с парциальными коэффициентами перехода г|д;:

1 - к^ = ; (3)

1 - Kf = ; (4)

Кз1 = ^ > (5)

где г)^ , < - парциальные коэффициенты перехода элемента Эг в

cJj cJj cJj

наплавленный металл из стержня, ферросплавов и шлака соответственно.

В связи с этим можно предположить, что общий (усредненный) коэффициент перехода имеет следующую взаимосвязь с парциальными коэффициентами:

цэ. = йгг|| + + СГ|™ , (6)

где а, Ъ, с - доли участия ферросплавов, электродного стержня и восстановленного из шлака металла в наплавленном металле, связанные следующим соотношением

a + b + c = 1. (7)

Выведем уравнение для расчёта г|э в наплавленный металл при

плавлении 100 г электрода:

- =Ю0-М„от+^СО2) ст 100 (l-JfCo2) ф

тмв

т-(\-ки0Т+кС0) юо-(\-ксо)

V 100 J Ш /о\

+----тц. , (8)

тме

где ¡{и01 - относительная разность между массой наплавленного металла и шлака и массой расплавленного электрода; Ксо2 - относительная масса углекислого газа, удаленного при диссоциации карбонатов.

Для того, чтобы найти парциальные коэффициенты перехода, выразим усредненный коэффициент перехода через концентрации

^ =___/дч

где [Э/ ]н м - концентрация элемента 3, в наплавленном металле по результатам химического анализа, мас.%; [Э1 ]ст - исходная концентрация элемента 3/ в стержне электрода, мас.%; [Эг ]фер - исходная концентрация элемента 3/ в ферросплавах электродного покрытия, мас.%; [Э,]ш - концентрации элемента Э, при полном восстановлении оксида элемента Э/пОт.

Определение парциальных коэффициентов перехода заключается в решении системы уравнений с тремя неизвестными [8]:

^ ПЭ. = а л! + Ь пЭт + с = а(1 - кЭ1 )+Ь(1 - К Э1 )+с К3Э 1 ,

1 — Кпот тЭ, = тэл , у x 1 + КМП

Г[Э/ ]ст (1—к3)+

x <

100

+ , КМП

1 +ав

( * % ферК [э/ ]К (1 —КЭ,) + > % (э/п°т + ^ (ЭщОт )св ¿1 100 100 ( 1 ) 100 100 100 100

Л

М.

ЭЭ 3' КЭ

100

тэл (1 — КПОТ ),

(10)

т 1 + К

МП

X

V

[Э1 ]СТ М31п°тК 3/ +

100 М3

+ . КМП

Г * %фер^ [3/ ]к МЭщО™ 3 + ( I %7 (31п°т )у + ар (Э1п°т ^ ^

1 + ав

к - »4"- гК ■-- 1 -1к ~ 1п т К 3 +

¿! 100 100 мЭ 1

\

^ ^ п т>7 ав \31п°т ;СВ 7=1100 100 +100 100

э.

1—К3Э1

100

где т3 - масса элемента 3, в данном объеме металла, кг; тэл - масса электрода, кг; Кпот - коэффициент потерь, учитывающий испарение компонентов и разбрызгивание металла; Кмп - коэффициента массы покрытия; [31 ]ст -концентрация компонента 3, в стержне электрода, мас.%; %ферк - концентрация ферросплава к в покрытии электрода, мас.%; [31 ]к - концентрация

компонента 3, в ферросплаве к, мас.%; %7 - концентрация минерала 7 в покрытии электрода, мас.%; (Эп°т) - концентрация оксида Э/п°т в минерале 7, мас.%; (Э1п°т)СВ - концентрация оксида Э/п°т в жидком стекле, мас.%; МЭ - атомная масса элемента 3/, кг/моль; МЭ °т - молекулярная

масса оксида Эп°т, кг/моль; тЭ ° - масса оксида Э/п°т в шлаке, кг;

/п т

а - содержание связующего (жидкого стекла) в покрытии электрода, мас. %; в - массовая доля сухого остатка связующего.

Расчет по приведенным уравнениям позволяет получить зависимости парциальных и усредненного коэффициентов перехода элемента 3,- в наплавленный металл в зависимости от показателя

( P ^

ЛЭ, = F • Р , (11)

г V 5 У

5

где Р - мощность дуги, кВт; 5 - площадь сечения электродного покрытия, мм2.

Такой подход позволяет учесть влияние параметров режима через мощность источника нагрева и относительную массу шлака, так как у электродов разных диаметров величина Кмп разная.

Для электродов УОНИ 13/55 диаметром 3 и 4 мм получены результаты, приведенные в таблице.

Результаты расчётов

Элемент Эг пЭ, ст ПЭ, ш ПЭ, —н.м. ПЭ

С 0 1,443 - 2,17(Р/5) - 1,20 - 1,61(Р/5)

Мп 1,11 - 0,21Р 0,86 - 1,65(Р/5) - 0,78 - 0,94(Р/5)

Разработанный расчётно-экспериментальный метод даёт возможность оценить усредненный и парциальные коэффициенты перехода в зависимости от параметров режима сварки. В связи с этим полученные регрессионные уравнения позволяют рассчитать состав наплавленного металла при любых заданных параметрах режима.

Список литературы

1. Бороненков В.Н., Зиниград М.И., Леонтьев Л.И. Моделирование структуры, свойств и процессов межфазного взаимодействия в системе металл - оксидный расплав - газ. Екатеринбург: УрО РАН, 2010.

2. Походня И.К., Коляда Г.Е., Явдощин И.Р. Прогнозирование химического состава металла, наплавленного электродами с рутиловым и ильменитовым покрытиями // Автоматическая сварка. 1976. № 7. С.1-4.

3. Килина Е.М. Расчет условных коэффициентов перехода элементов из сварочной проволоки в наплавленный металл при сварке в углекислом газе // Сварка и контроль-2004: Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф., посвященная 150-летию со дня рождения Славянова Н.Г., Пермь. 2004. Т.3. Сварочные материалы. С. 263-265.

4. Ерохин А.А. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки. М.: Машиностроение, 1964. 256 с.

5. Черных А.В., Черных В.В. Расчет температуры электродных капель при дуговой сварке плавящимся электродом с помощью метода конечных элементов // Сварочное производство. 2008. № 3. С. 6 - 7.

6. Мазуровский В. Л. Физико-химические основы разработки современных сварочных материалов: дис. ... канд. хим. наук. Екатеринбург. 2004. 135 с.

7. Шалимов М.П., Панов В.И. Сварка вчера, сегодня, зав-тра...(Введение в специальность): учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 227 с.

8. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П. Разработка методики расчета состава металла шва при сварке покрытыми электродами или порошковой проволокой // Сварка и диагностика.2011. № 5. С. 31-35.

Вотинова Екатерина Борисовна, ст. преподаватель, votinovacat@rambler.ru.. Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,

Шалимов Михаил Петрович, д-р техн. наук, проф., votinovacat@rambler.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

MODELING OF PROCESS OF FORMATION OF THE DEPOSITED METAL FOR MANUAL ARC WELDING

E.B. Votinova, M.P.Shalimov

Known methods of thermodynamic and kinetic analysis, and also data on the mechanism of separate stages of heterogeneous reactions in the simulation of manual arc welding do not provide sufficiently adequate model of the process and use it for further calculations. This is due, primarily, with the speed and short duration of flow of interaction, and the inability to reliably estimate the area of the interaction. It was therefore proposed a physical and mathematical model of the process of manual arc welding, based on a complete mass balance of each of the elements in each phase.

Key words: manual arc welding, modeling, the transition rate of the element composition of the weld metal.

Votinova Ekaterina Borisovna, senior lecturer, votinovacat@rambler.ru, department of Welding technology, Russia, Ekaterinburg, Ural Federal University n.a. B.N. Elcin,

Shalimov Mikhail Petrovich, doctor of technical sciences, professor, votinova-cat@rambler.ru, Russian Federation, Ekaterinburg, Ural Federal University n.a. B.N. Elcin

УДК 621.791:539.4

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ РАЗДЕЛКИ НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

М.А. Шолохов, А.С. Куркин, С.И. Полосков

Эффективным методом повышения производительности и качества сварочных работ при изготовлении корпусных конструкций специальной техники является внедрение двухдуговой сварки по узкому зазору. Для расширения областей ее применения определена зависимость сварочных напряжений в корпусных конструкциях специальной техники от формы разделки и параметров процесса сварки. В результате физико-математического моделирования установлено, что характер распределения остаточных сварочных напряжений при переходе от стандартных на зауженную разделку кромок практически не изменяется.

Ключевые слова: двух дуговая сварка, корпусные конструкции, остаточные сварочные напряжения, специальная техника, физико-математическое моделирование, узкий зазор.

Существенное повышение производительности труда при производстве корпусных конструкций специальной техники может быть достигнуто за счет применения двухдуговой сварки в раздельные или общую сварочную ванну, а также специальных зауженных разделок [1]. Однако существует целый ряд проблем, мешающих внедрению подобных инноваций в производство [3]. Это блуждание дуги в донной части разделки, необходимость выбора оптимальных режимов и сварочных материалов, гарантированно исключающих образование холодных и горячих трещин, отсутствие данных о напряженно-деформированном состоянии соединений, сложность обеспечения устойчивости процесса в начале и при завершении двухдуговой сварки при невозможности установления выходных планок.

Многие из этих проблем с использованием современных методов исследований к настоящему времени успешно решены. Однако данных о напряженно-деформированном состоянии сварных соединений и их механических свойствах, необходимых для подтверждения тактико-технических характеристик специальной техники, по-прежнему недостаточно [3]. В этой связи весьма актуально проведение исследований о напряженно-деформированном состоянии сварных соединений, необходимых для подтверждения тактико-технических характеристик специальной техники.

Для оценки напряженно-деформированного состояния нагруженных металлоконструкций возможно применение методов неразрушающего контроля, однако их применение на стадии разработки технологии сварки затруднено. Наиболее сложна оценка остаточных сварочных напряжений