CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19
УДК 621.791.92
Чигарев В.В.1, Зареченский Д.А.2
ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА Н ПЛАВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКИ С НАПОЛНИТЕЛЕМ ПОРОШКОВОЙ ЛЕНТЫ ПРИ НАПЛАВКЕ ОТКРЫТОЙ ДУГОЙ, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Представлены результаты исследований влияния коэффициента заполнения, силы обжатия и скорости прокатки порошковой ленты при изготовлении на электросопротивление оболочки и наполнителя. Определены: характер нагрева оболочки и наполнителя на вылете электрода, особенности капельного переноса и полноту расплавления наполнителя на стадии капли.
Параметры изготовления порошковых лент, включая коэффициент заполнения, обуславливают сварочно-технологические свойства электрода и полноту расплавления наполнителя на стадиях капли и ванны [1 - 4].
Основным фактором, ограничивающим применение высокопроизводительных порошковых электродов для сварки и наплавки, является значительная разница в теплофизических характеристиках оболочки и порошкового наполнителя, что способствует отставанию плавления сердечника от оболочки и просыпанию частиц порошка в ванну. В опубликованных работах [1, 3, 5, 6], посвященных вопросам повышения эффективности нагрева и плавления сердечника порошкового электрода, определены пути снижения доли минующего стадию капли наполнителя и повышения химической однородности наплавленного металла. Одними из возможных путей повышения степени нагрева наполнителя на вылете электрода служат: увеличение теплоотдающей поверхности металла оболочки и повышение температуры нагрева наполнителя [5, 6]. При изготовлении порошковой ленты достигнуть указанного можно за счет регулирования фракционного состава и насыпной массы порошка наполнителя, повышения степени его уплотнения путем изменения силы обжатия в двухвалковой клети стана и скорости прокатки. Предыдущими исследованиями установлено, что параметры прокатки порошковых лент при изготовлении влияют на равномерность плавления оболочки и наполнителя [4, 7].
При прокатке на стане порошковой ленты в клети с двумя обжимными валками, имеющими насечку, происходит вдавливание выступов их профиля в оболочку, что совместно с растягивающими напряжениями прокатки, пластически ее деформирует. При этом, в зависимости от режимов прокатки, изменяется плотность контакта между частицами порошкового наполнителя и степень деформации оболочки. Совокупность процессов пластической деформации оболочки, уплотнения порошкового наполнителя и плотности их совместного контактирования, влияют на электрическое сопротивление электрода, условия прохождения сварочного тока и нагрев на вылете джоулевым теплом [2, 5 - 10].
Целью настоящей работы являлось: определение характера нагрева и плавления оболочки с наполнителем порошковой ленты при регулировании коэффициента заполнения, силы обжатия и скорости прокатки в процессе изготовления.
Для исследований изготавливалась однозамковая порошковая лента, состоящая из оболочки 08КП 5 = 0,3 мм и порошка комплексно-легированного сплава ПГ-Л101 фракцией 0,315 мм (С - 6 %; Сг - 53 %; Ni -3,0 %., Мп - 3 %, Si - 10 %). Регулируемыми параметрами изготовления являлись: коэффициент заполнения порошковой ленты (Кз = 40 - 60 %), сила обжатия (F06X= Ю - 30 кН) и скорость прокатки (Упр0к = 60 - 180 м/ч).
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ОАО «ГСКТП», инж.
При выполнении экспериментов использовали метод математического планирования и статистическую обработку результатов. Измерение электрического сопротивления оболочки и наполнителя, считая их параллельно включенными проводниками, выполняли с помощью «Магазина сопротивлений «Р-33 » \ Сопротивления оболочки 1^.,,,-, и сердечника К.ш определяли по правилам первого и второго законов Кирхгофа.
По результатам замеров построены гистограммы рис.1 и определены уравнения регрессии при совместном влиянии регулируемых параметров на 1^6 и Я|П:
Ш = 126 + О,02 ^обж + О,01 У„рок - 0,02 Кз - 0,01 Ро6ж Щок + + 0,02 Ро6ж Кз - 0,01 Ро6ж ¥прок Кз [мОм/см]
Янап= 287,67- 3,39 Ро6ж - - 3,37 Ро5ж Кз /м()м см];
s
0
1 О 5
ж
х —
а с
о ю
о ©
ад е; ш
о
CL
о о
1,31 1,29 1,27 1,25 1,23 1,21 1,19 1,17 1,15 1,13
( 3 4
5 о
i "ä
19
« s i к
p 5
с Ь
305 300 295 290 285 280 275 270
I
3 4
И
Л
3 4
И
10 30
Сила обжатия, кН
10 30
Сила обжатия, кН
а б
1 - Кз = 40 %, Vnp0K= 60 м/ч; 2 - Кз = 40 %, V^o,, = 180 м/ч;
3 - Кз = 60 %, Vnp0K = 60 м/ч; 4 - Кз = 60 %, Vnp0K = 60 м/ч
Рис. 1 - Влияние параметров изготовления порошковых лент на электросопротивление оболочки (а) и наполнителя (б)
Установлено, что при увеличении степени обжатия порошковой ленты и уменьшении коэффициента заполнения происходит утонение оболочки и повышается плотность контакта между частицами наполнителя. Это приводит к увеличению сопротивления оболочки и снижению сопротивления сердечника.
Увеличение электросопротивления оболочки порошковой ленты будет способствовать большему ее нагреву джоулевым теплом на вылете электрода [8 - 10]. Углубление ячеек рифлений оболочки в наполнитель увеличивает теплоотдающую поверхность, что совместно с уплотнением наполнителя и повышением его теплопроводности, повлияет на полноту расплавления наполнителя на стадии капли.
Для определения доли наполнителя, переходящего через стадию капли, выполняли наплавку на быстровращающийся графитовый диск. Электродные капли собирали в ванну калориметра [1]. Плавление лент выполнено на подвесном самоходном автомате АД - 231 при постоянных параметрах режима: I = 500 - 550 А (обратная полярность), ид = 28 — 30 В; вылет электрода - 40 мм. Отобранные капли отсеивали по фракционному составу, определяли их относительную массу и содержание элементов индикаторов (Cr, Ni) в каплях каждой фракции (химическим анализом).
Расчет доли расплавленного наполнителя на стадии капли и доля его расплавления в каплях каждой фракции, определены по формуле [2]:
'В работе принимали участие инж. В.И. Бобиков и В В. Воробьев
£ = Э.д„(1 - Кз)
/р. - ЭшпКз
где с - доля наполнителя, расплавленная каплями;
Экст - содержание элемента-индикатора в капле, %;
Э№ - содержание элемента-индикатора в наполнителе порошковой ленты, %; // - коэффициент перехода элемента-индикатора из наполнителя в каплю [2]; - коэффициент заполнения порошковой ленты.
Общая доля наполнителя, переходящая с каплями различной фракции при плавлении, рассчитана по правилу адитивности. Полученные результаты представлены в таблице 1.
аблица 1 - Результаты экспериментальных данных
Сила обжати^ кН Скорость прокатки, м/ч Относительное количество капель и средняя доля наполнителя (по Сг и N1), расплавленная каплями Масса капель d<0,2, г
dK>2,5 мм dK= 2,5 - 0,4 мм d, 0,4 - 0,2 мм
4i Ni Cr Sep 4i Ni Cr ^cp 4i Ni Cr ^cp
Кз = 40 %
10 60 56 1,7 35 0,61 32 1,3 36 0,55 12 1,8 40 0,71 6,5
30 32 1,2 25 0,46 55 0,8 30 0,49 13 1,5 37 0,76 8,5
10 180 65 0,9 25 0,42 28 0,6 32 0,50 7 1,6 38 0.77 9,4
30 67 1,0 26 0,40 25 0,8 33 0,50 8 1,3 37 0,65 10,3
Кз = 60 %
10 60 58 1,1 29 0,36 32 0,8 39 0,50 10 2,0 45 0,92 14
30 68 0,4 28 0,24 24 1,6 37 0,53 8 2Д 48 0,96 18,5
10 180 67 1,5 30 0,45 24 1,7 41 0,71 9 2,3 47 0,99 12
30 44 1,2 29 0,35 39 1,8 34 0,52 17 2,0 44 0,81 16,6
Примечание: q, - относительная масса капель указанного диаметра.
Расплавление порошкового наполнителя каплями диаметром более 0,4 мм, как показывают данные, снижается при увеличении его плотности и коэффициента заполнения, что вероятно обусловлено интенсификацией отвода тепла наполнителем в электрод и меньшим проникновением в менее пористый наполнитель капель расплавленного электродного металла. Более теплоемкий наполнитель не полностью плавится в каплях и переходит нерасплавленным в ванну. Подтверждением этого служат капли диаметром менее 0,2 мм и их химический состав, которые по результатам химического анализа практически на 100 % состоят из порошка наполнителя. Наиболее легированными каплями при плавлении порошковых лент, являются капли фракцией 0,4 - 0,2 мм, которые, очевидно, отделяются с выступающей части
наполнителя на торце электрода.
На рис. 2 представлена гистограмма влияния коэффициента заполнения, силы обжатия и скорости прокатки на долю наполнителя, расплавленного каплями (обозначения см. на рис. 1). Заслуживает внимания результат, полученный при плавлении порошковой ленты с Кз = 60 %,, изготовленной при скорости прокатки 180 м/ч. В данном случае, оказывает влияние плотность контакта между оболочкой и наполнителем, при увеличении которого эффективнее передается тепло в наполнитель на вылете электрода. Увеличение теплосодержания наполнителя снижает градиент температур при его оплавлении в зоне горения дуги и благоприятствует более полному его расплавлению.
0,20
30,00
10,00 Сила обжатия, кН
Рис. 2 - Влияние параметров изготовления порошковых лент на долю рас-плавленого каплями наполнителя
Значительная пластическая деформация оболочки порошковой ленты с Кз < 40 %, изготовленной при идентичных параметрах прокатки, приводит к ее перегреву на вылете электрода и нарушению стабильности дугового процесса, ввиду ее местного коробления и оплавления, что отрицательно сказывается на расплавлении наполнителя каплями.
Учитывая приоритет применения для наплавки высоколегированных сплавов порошковых лент с Кз = 50 - 60 %, и целесообразность их изготовления с силами обжатия выше 25 кН (повышение стабильности дугового процесса и снижение потерь на разбрызгивание [4]), увеличить количество наполнителя, переходящего через стадию капли, можно за счет введения в наполнитель дополнительных источников тепла и увеличения скорости прокатки при изготовлении. Перспективным в указанном направлении является использование теплового эффекта окислительно-восстановительных реакций экзотермических смесей.
Выводы
1. Снижение Кз порошковой ленты и увеличение силы обжатия при прокатке, повышают электросопротивление и нагрев оболочки с наполнителем на вылете электрода.
2. Доля расплавленного каплями наполнителя с ростом обжатия порошковой ленты до 30 кН снижается на 5 - 16 % за счет уплотнения частиц порошка, повышения его теплопроводности и снижения интенсивности конвективной передачи тепла от расплавленных капель наполнителю.
3. Увеличить степень расплавления наполнителя порошковой ленты (с Кз = 50 - 60 %) на стадии капли, можно за счет введения в наполнитель экзотермических смесей и увеличения скорости прокатки при изготовлении.
Перечень ссылок
1. Ерохин A.A. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки / A.A. Ерохин. - М.:: Машиностроение, 1964. -256с.
2. Пацкевич И.Р. Особенности легирования металла при наплавке порошковой лентой / И.Р. Пацкевич, Л.А. Хейфец II Автоматическая сварка. - 1970. - № 2. - С. 13-15.
3. Николаенко М.Р. Перенос электродного металла и однородность свойств наплавленного слоя при наплавке порошковым ленточным электродом на форсированных режимах / М.Р. Николаенко, Л.Д. Кузнецов, II Сварочное производство. - 1976. - № 6. - С. 33 - 35.
4. Чигарев В.В. Влияние режимов прокатки однозамковой порошковой ленты на сварочно-технологические свойства и характер ее плавления / В.В. Чигарев, Д.А. Зареченский // BicHHK Призов. Держ. техн.. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. - 2008. - Вип. № 18. - С. 166 - 169
5. Кирилюк Г.А. Особенности нагрева и плавления сердечника порошковой проволоки при различных конструкциях ее оболочки / Г.А. Кирилюк II Автоматическая сварка. - 1989. -№7.-С. 74-75.
6. Юзвенко Ю.А. Модель плавления самозащитной порошковой проволоки / Ю.А. Юзвенко, Г.А. Кирилюк, С.Ю. Кривчиков II Автоматическая сварка. - 1983. - № 1.- С. 26 - 29.
7. Чигарев В.В. Влияние степени деформации порошковой ленты при прокатке на показатели ее плавления / В.В. Чигарев, П. Ф. Лаврик II Сварочное производство. - 1980. - № 6. - С. 17-18.
8. Самсонов И.Г. Электросопротивление и нагрев порошковой проволоки / И.Г. Самсонов, Н.В. Королев II Сварочное производство. - 1981. - № 11. - С. 7 - 9.
9. Рейн Р.О. О нагреве порошковой проволоки при сварке / Р.О. Рейн, Б.А. Смирнов II Сварочное производство.- 1971. - № 2 .- С. 32 - 33.
10. Безбах Д.К. Исследование параметров нагрева и плавления порошковой проволоки / Д.К Безбах II Автоматическая сварка. - 1965. - № 5. - С. 29 - 31.
Рецензент: C.B. Гулаков д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 05.05.2009
