CC BY
27
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧ ЕСКО ГО УНИВЕРСИТЕТА 1999 г Вып. №8
УДК.621.791.793.
Белоусов Ю.В.1, Корягин Е.И.2, Карезина A.B.1
ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ ЛЕНТОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
Проанализированы традиционные приемы совершенствования процесса и известная методика определения режимов электрошлаковой сварки (ЭШС) проволочными электродами. Предложенная схема расчетов ремсимов ЭШС ленточными электродами является более универсальной, а результаты расчетов подтверждаются экспериментальными показателями.
Совершенствование процесса ЭШС с позицш резерва повышения производительности в первую очередь и наиболее просто решается путем уменьшения зазора между свариваемыми кромками и с помощью подачи дополнительного присадочного материала [1, 2]. Однако изменение конструктивных элементов сварного соединения., в первую очередь, величины зазора между свариваемыми кромками, неизбежно влечет за собой необходимость корректировки основных параметров режима: скорости подачи электрода и соответственно сварочного тока, падения напряжения на шлаковой ванне, скорости образования сварного соединения и целого ряда вспомогательных: «сухого» и «мокрого» вылета электрода, глубины шлаковой и металлической ванны, марки и вязкости применяемых флюсов. Именно от этих параметров зависит стабильность электрошлакового процесса плавления. Следоват ельно, основной задачей расчетных методов определения параметров режима, и в особенности скорости подачи электрода и глубины шлаковой ванны, является обеспечение стабильности и устойчивости процесса Изменение объема и конфигурации плавильного пространства 3ei счет изменения зазора и параметров режима сварки приводит к изменению условий и схемы кристаллизации металла шва. В этом случае значения коэффициента формы шва у могут находиться за пределами оптимальных, что в конечном итоге обуславливает образование неблагоприятной формы кристаллитов и появление трещин в сварном соединении [3]. Следовательно, в расчетах параметров режима этот критерий является необходимым и обязательным критерием качества.
Прием одновременного снижения зазора и увеличения скорости подачи VIHW проволочного электрода диаметром 2 и 3 мм исследован 11]. Цель исследований - определение критической скорости подачи проволоки, обеспечивающей максимальную производительность и удовлетворяющей критериям стабильности протекания электрошлакового процесса плавления и качества (отсутствие наружных и внутренних дефектов в сварных швах, и в первую очередь кристаллизационных трещин). Предложенная расчетная зависимость для определения критической скорости подачи (^заз.'^эл.) предполагает использование эмпирических коэффициентов и кг. которые необходимо определять для каждого конкретного случая.
Использование вместо проволоки ленточных электродов дает дополнительные возможности снижения зазора, повышения производительности, управление схемой кристаллизации и значительно упрощает расчеты параметров режима. При сравнении этих вариантов ЭШС в качестве критерия оценки была принята масса расплавляемого электродного металла (для проволоки и для ленточного электрода) в единицу времени, т.е. у1ассовая скорость плавления
п _ ЧэЛ.М-
q - : S
t ; кг/ч, отнесенная к выбранным значениям площади поперечного сечения зазора ш
1 ПГТУ, канд.техн.наук, доц.
2 ПГТУ, ассистент
3 ПГТУ, студентка
Значения площадей зазора выбраны в наиболее распространенном диапазоне: (S;. .S,): Si = 500 мм2, S2 = 750 мм2, S3 = юоо мм2, S4 = 1250 мм? и S5 '•= 1500 мм2. Эти показатели соответствуют требованиям традиционной технологии ЭШС проволочными электродами для толщин 51 = 24 мм> 52 = 36 мм> 8з = 48 мм, б4 - 60 мм, б5 = 72 мм при средней величине зазора между свариваемыми кромками®3 = 20 мм с 'учетом площади усиления шва [1,2].
Сравнительные расчеты по определению критической скорости подачи ленточных электродов проводились в такой последовательности Для каждого фиксированного значения площади поперечного сечения зазора (Sb S5) по данным [1| выбирали интервал критической скорости подачи электродной проволоки диаметром 3 мм и ее среднее значение (рис.1). Затем подсчитывали массовую скорость расплавляемого электродного металла:
q = VKp -F у
"эл.М под. :>л. / ;ш ? /"|\
укр.
где под - среднее значение критической линейной скорости подачи электродной проволоки, м/г;
F3n - площадь поперечного сечения электродной проволоки, м2;
Уэл- плотность электродного металла, кг/м:.
Такое же количество расплавляемого электродного металла ленточного электрода получим при соответствующей критической линейной скорости ггодачи из расчета по .аналогичной формуле, где сечение электрода будет выражено, как площадь прямоугольника со сторонами: Вэ„. - ширина ленты и - ее толщина. Плотность электродного металла для проволоки (марка Св-08А) и для ленты (08 кп) была принята одинаковой.
Сравнительные расчетные зависимости критических скоростей подачи плавящихся электродов: проволоки диаметром 3 мм. и для ленточного электрода толщиной^а= 0,5 мм и с шириной, соответствующей толщине свариваемого металла, приведены на рис. 1. Е!ыбор ленточного электрода соответствующего сечения обусловлен тем, что электрод имеет' развитую боковую поверхность контакта с расплавленным шлаком по сравнению с проволокой. Кроме того, лента указанной марки - сравнительно дешевый и недефицитный материал. При толщине до 0,7 мм она достаточно технологична, легко профилируется и подается в шлаковую ванну! специальными устройствами |4]. При анализе расчетных зависимостей, приведенных на рис.1,
VKp
необходимо учитывать, что значения критической скорости гюдачи под . расположенные выше
расчетных диапазонов, соответствуют областям неустойчивого процесса электрошлакового плавления. При малых значениях скорости подачи электрода становится возможным появление дуги на поверхности шлаковой ванны.
Практическая проверка расчетной методики определения критической скорости подачи для ленточных электродов сечением 100 х 0,5 мм была проведена в реальных условиях ЭШС на образцах из малоуглеродистой стали марки Ст.З толщиной ^ = 100 мм, высотой h = 120... 150 мм. Образцы были собраны с зазором13^ 5,0; 7,5, I о; 12,5 и 15,0 мм и установлены на медную подкладку. Роль формирующих кристаллизаторов выполняли медные пластины толщиной ^ = го мм. Места возможной утечки жидкой металлической и шлаковой ванны уплотняли шнуровым 'асбестом. Для постепенного плавного наведения электрошлакового режима плавления ленточный электрод обрезали «на клин» высотой h — 250 мм, заводили в зазор между свариваемыми кромками, закорачивали торец электрода на стальную подложку и засыпали слоем флюса марки АН-348А. Процесс начинали в дуговом режиме и по мере расплавления флюса и достижения необходимой глубины шлаковой ванны электрошлаковый процесс стабилизировался через 15...20с. При величине зазора®3" 5,0 мм процесс электрошлакового плавления протекает нестабильно из-за появления дуговых разрядов между боковой поверхностью электрода и поверхностью свариваемых кромок. Экспериментально было установлено, что при этой величине зазора процесс принципиально возможен, но для его стабилизации следует либо усовершенствовать направляющие каналы для ленточных электродов при выходе из токоподвода, либо нанести изолирующий слой на свариваемые поверхности, который после расплавления не ухудшал бы технологических свойств жидкого ишака. Для сопоставления данных работы [1] с полученными результатами на образцах искусственно создавались зоны увело
личения или уменьшения зазора на величину для произвол).но выбранной т. А (рис. 1,а). Этот прием необходим для оценки стабильности процесса при локальном нарушении основного па-
раметра - зазора. Оказалось, что в зонах «.8ШШ - 8Ш11Х» для т. А и для выбранных ленточных электродов нарушение режима электрошлакового плавления не обнаружено (рис. 1,5).
700 600
jar
Ji 500 s
S 400 «с
о с
Ü 200
и 200
I0U
о 250 500 750 1000 1250 1500
Площадь зазора, S™,, мм* Рис. 1 - Сравнительные расчетные данные для критических скоростей подачи плавящихся электродов
1 - проволочный электрод диаметром 3 мм
2 - ленточный электрод
Процесс ЭШС был реализован на традиционном электросварочном оборудовании для дуговой сварки: источник питания ВСЖ-1600, напряжение холостого хода Uxx = 52...54 В, напряжение на шлаковой ванне ишл ™ 32...34 В, сварочный ток изменялся в интервале 1с„ = 950... 1460 А. Значения тока и напряжений фиксировались самопишущими приборами типа Н390, связанных со сварочным автоматом типа А-874Н. Указанный автомат дополнительно был укомплектован подающим механизмом для подачи ленты с одновременным профилированием. Глубину шлаковой ванны без дополнительных приспособлений и технологических операций подготовки достаточно было поддерживать в пределах Нщл 8... 14 мм.
Вполне надежный результат был получен при зазоре10 мм, т.е. меньшем по крайней мере в 2 раза, по сравнению с форсированным вариантом электродной проволокой [1], Следует заметить при этом, что дополнительные резервы снижения зазора не были использованы в полной мере. Макрошлифы вырезали поперек швов для 2-х вариантов ЭШС: проволочным электродом с величиной зазора64 = 20 + 1,5 мм (рис.2.б) и для ленточного электрода с величиной зазора = 10 + 0,5 мм (рис.2,а). Определение глубины металлической ванны и ее очертаний для обеих темплетов после их травления 20 %-м раствором азотной кислоты производили е помощью стереоскопического микроскопа типа МБС-2 при 24-кратном увеличении. Установлено, что глубина металлической ванны при ЭШС ленточным электродом в ее центральной части составляет hM = 2,4...2.,5 мм, а для ЭШС проволокой диаметром 3 мм - hM = 10... 11 мм. При этом значения коэффициента формы для обоих вариантов соответствуют показателям V = 3,6...5,2, что укладываются в рекомендованные пределы [3]. Макроанализом обоих темплетов установлена удовлетворительная плотность сварных швов, каких-либо дефектов в виде трещин, непроваров, шлаковых включений не выявлено.
Проведенные эксперименты показали, что при использовании ленточных электродов для ЭШС устойчивый процесс наблюдается на режимах, близких к дуговым: падение напряжения на шлаковой ванне ии ~ 32...34 В, ]tB = 950... 1400 А. Физические свойства широко распространенного флюса для дуговой сварки АН-348А позволяют добиться в этих условиях устойчивого процесса плавления при плотности тока 9... 14 А на мм ширины ленты или j = 18...28 А/мм2. Использование традиционного сварочного оборудования для дуговой сварки
делает привлекательным предложенный способ ЭШС для изделий сравнительно небольшой высоты (до 300 мм), где не требуется движения вверх со скоростью сварки. Расчет режимов подачи ленточных электродов существенно упрощается, т.к. отпадает необходимость использования каких-либо эмпирических поправочных коэффициентов Кроме того, в производственных условиях бывает достаточно сложно выдержать стабильный зазор с минимальными отклонениями при сборке изделий с большой толщиной стенки. Это означает, что площадь зазора подвержена большим изменениям в пределах одного стыка. Тогда, чем больше угол наклона11 для прямой У,11у1 = ^ ^ (рис. !,а), тем вероятнее потеря устойчивости процесса а местах резкого изменения зазора, если не пользоваться автоматической системой слежения за уровнем металлической ванны. Поскольку эти системы недостаточно надежны и усложняют процесс ЭШС, предпочтение отдают способам, которые не требуют обратной связи в системе «скорость подачи электрода - объем и глубина металлической ванны». Как видно из графика (рис. 1,6), даже очень большие отклонения от оптимальной расчетной величины 8, практически не выводят процесс за области устойчивых режимов ~ ^ Для процесса ЭШС ленточными электродами характерна одна особенность. Начало процесса и выход на электрошлаковый режим плавления осуществляется чрезвычайно быстро и просто. Для этого достаточно обрезать ленту «на клин» и иметь углубление на подкладной планке глубиной 6.. 8мм и шириной, равной ширине зазора. При малой глубине шла ко во!'! ванны выводные планки должны быть, высотой 15. ..20 мм.
НыооВы
1 .Предложенный вариант ЭШС ленточными электродами имеет большие резервы повышения производительности за счет дальнейшего уменьшения величины зазора, причем эти преимущества у величиваются с ростом толщины свариваемого металла и. соответственно, ширины ленты. 2.В сварных соединениях, выполненных ЭШС ленточными электродами на повышенных режимах. отсутствуют наружные и внутренние дефекты (нспроваръ; и трещины).
Перечень ссыжч;
1. Некоторые пути повышения производительности электросилакоьой сваркиНАераменкоВ.!!., Лебе-
дев Б.Ф., Бож ко И.Н. и др. М Свар, пр-во. - 15)73. -№ И). - С. 16-17
2. Элсктрошлаковая технология за ру бежом / Н.И.Медовар. 1.К. Цыкулепко, А Г.Богаченко и др. - Киев:
Наук.думка. 19X2. - 320 с.
3. Элсктрошлаковая сварка и наплавка / Под ред. Н. К Потопа. - М. Машиностроение. 19X0.-511 с.
4 .Белоусов К).В., Корягии Б.П. Управление процессами сварка и н;.плавки путем изменения геометрии ленточных электродов.// Автомат, сварка. - 1990. - №> X - С.52-55.
Белоусов Юрий Васильевич. Канд.техн.наук, дои.каф. «ОиТСП». окончил ПГГУ в 1961г. Основные направления научных исследований - изучение основных особенностей плавления основного и электродного металла, присадочных материалов и сварочных флюсов, разработка и создание механических устройств для реализации технологий сварки и наплавки плавящимися электродами. Корягии Евгений Иванович. Ассистент каф «ОиТСП». окончил Г1ГТУ в 1980г. Основные направления научных исследований - изучение процессов плавленая основного и электродного металла, присадочных материалов при ЭШС и ЭШН ленточными электродами.
Карезина Анастасия Владимировна. Студентка гр.Бсв-%-01. Обзор ебщстехнической и патентной литературы, обработка полу ченных результатов.
