CC BY
41
УДК 621.791.763.2
А. О. Коротеев, В. П. Куликов, В. П. Долячко
ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА СВАРОЧНЫХ ПРОВОЛОК ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ В СРЕДЕ Ar + Ш2 С ДВУХСТРУЙНОЙ КОАКСАЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ В ЗОНУ ГОРЕНИЯ ДУГИ
UDC 621.791.763.2
A. O. Koroteyev, V. P. Kulikov, V. P. Dolyachko
CHARACTERISTICS OF THE SELECTION OF WELDING WIRE FOR ARC WELDING IN Ar + CO2 WITH TWO-JET COAXAL SUPPLY OF SHIELDING GASES TO THE ARC ZONE
Аннотация
На основании экспериментальных зависимостей ударной вязкости металла шва сварного соединения из низкоуглеродистых сталей от его химического состава, особенностей формирования защитной газовой атмосферы в зоне горения дуги и параметров режима сварки существенно расширен диапазон применения сварочных проволок отечественного производства типа Св-08ГС с пониженным содержанием элементов-раскислителей. Установлены области рационального использования проволоки Св-08Г2С и определены границы её применимости для сварки в среде Ar + CO2.
Ключевые слова:
двухструйная газовая защита, коаксиальная подача газов в зону сварки, газовые смеси, сварочные проволоки, ударная вязкость металла шва, элементы-раскислители, механические испытания сварных соединений.
Abstract
The range of application of domestically produced welding wires of the Св-08ГС type with a reduced content of deoxidizing elements was significantly broadened based on the experimental dependencies established between the impact strength of weld material of joints made of low-carbon steels and its chemical composition, the peculiarities of formation of shielding gas atmosphere in the arc zone, the parameters of welding conditions. The areas of rational use of Св-08Г2С wire and its applicability limits for welding in Ar + CO2 were determined.
Key words:
two-jet protective gas shield, coaxial gas supply to the welding zone, gas mixtures, welding wires, impact strength of weld material, deoxidizing elements, mechanical testing of welded joints.
Одним из перспективных направлений исследований, связанных со снижением стоимости сварочных работ и повышением качества сварных соединений, является реализация коаксиальной подачи защитных газов в зону сварки. При этом принципиально меняется подход к формированию защитной газовой атмосферы. Струя газа, истекающая из сопла сварочной горелки и вытесняющая воздух из зоны горения дуги, в этом случае функционально разде-
© Коротеев А. О., Куликов В. П., Долячко В.
ляется на два независимых потока, состоящие из различных газов: центральный поток чистого аргона с небольшим удельным расходом и кольцевой, коаксиально расположенный поток углекислого газа, выполняющий защитную функцию. Возможность регулировать расход каждого из них независимо друг от друга обеспечивает необходимые условия для создания в зоне горения дуги защитной среды различного состава, не изменяя
П., 2017
при этом конструкции сопла горелки. Причём степень перемешивания газов зависит от многих факторов и, в свою очередь, определяет технологические параметры сварочной дуги. Это позволит, кроме существенной экономии аргона, расширить круг свариваемых материалов и область использования процесса сварки в смесях защитных газов.
Ранее были опубликованы результаты исследований защитных свойств кольцевого потока газа, механизма образования защитной газовой смеси в зоне горения дуги и основные показатели потерь электродного металла при сварке, показавшие преимущество использования данного способа сварки по сравнению с традиционными способами реализации газовой защиты [1-3]. Исследуем особенности применения различных типов сварочных проволок для процесса сварки с двухструйной подачей защитных газов в зону горения дуги на основании результатов механических испытаний сварных соединений
Для испытаний на ударный изгиб металла сварного шва из полученного соединения были изготовлены образцы по ГОСТ 6996-66 с Ц-образным концентратором (рис. 1). Испытания проводились на маятниковом копре ИО5003-0,3. Для охлаждения образцов до минимальных температур (минус 40 °С) использовался криостат, позволяющий точно контролировать температуру и поддерживать её на постоянном уровне в течение дли-
на ударный изгиб.
Для проведения исследований использовались наиболее распространенные для сварки низкоуглеродистой стали проволоки типов Св-08ГС и Св-08Г2С с омедненной и полированной поверхностью. В качестве основного материала применялась низкоуглеродистая сталь обыкновенного качества СтЗсп. Сварка соединений производилась при постоянном значении силы сварочного тока. В качестве свариваемого материала для проведения экспериментов использовались пластины толщиной 6 мм. Сварка выполнялась в нижнем положении. Тип сварного соединения С7 согласно ГОСТ 14771-76. Сварка производилась по двум технологиям: в защитной газовой смеси 82 % Аг + 18 % СО2 с двухструйной и традиционной подачей газов.
Значения параметров режима сварки при проведении экспериментов представлены в табл. 1.
тельного времени. Ударную вязкость образцов фиксировали при различных температурах от минус 40 до плюс 20 °С, сопоставляя эти значения с химическим составом шва.
В результате проведения механических испытаний были получены графические зависимости значений ударной вязкости металла сварного шва от температуры, представленные на рис. 2.
Табл. 1. Значения параметров режима сварки
Параметр режима сварки Значение
Сила сварочного тока 1св, А 180
Напряжение на дуге Псв, В 22
Скорость сварки Усе, м/ч 20
Вылет электродной проволоки Ьпр, мм 13...15
а)
б)
4 • |
С1 -6
Рис. 1. Внешний вид (а) и схема вырезки (б) образцов для испытаний на ударный изгиб
а)
250
Дж/см!
200
175
кси
150
125
100
82% Аг+1д°/ ьсо2
:
'1 —-- - -1
С В08Г2С 1
20 10 0 -10 -20 "С -40
б)
250
Дж/см!
200
175
кси
150
125
100
/ 1
1
1 ---1 --- Н
с В08Г2С 1
250
Дж/см2
200
175
кси
150
125
100
с в08ГС о ли ров}
___
1
Г с п~\ В08Г2С - — ^ - -4
(полиров) 1
20 10 0 -10 -20 "С -40
20 10 0 -10 -20 °С -40
Рис. 2. Зависимость ударной вязкости металла сварного шва от температуры испытаний при сварке различными проволоками: а - двухструйная подача защитных газов в зону горения дуги; б - традиционная технология газовой защиты смесью 82 % Л + 18 % С02
Анализ полученных результатов показал, что ударная вязкость металла шва при сварке с двухструйной подачей защитных газов в зону горения дуги и использовании проволоки Св-08ГС существенно превосходит аналогичные показатели для проволоки Св-08Г2С как по традиционной технологии газовой защиты смесью 82 % Аг + 18 % СО2, так и в случае двухструйной коаксиальной подачи газов в зону сварки.
Анализ поверхностей излома образцов показал, что при использовании
а)
Св08ГС
20 "С -40 °С
Св08Г2С
в)
проволок с пониженным содержанием элементов-раскислителей (Св-08ГС) процент вязкого волокна в изломе образца существенно выше по сравнению с образцами, полученными с использованием проволок Св-08Г2С (рис. 3). При этом вязкое разрушение наблюдается даже при минимальных температурах испытаний, о чем свидетельствуют характерные «утяжины» в виде значительных пластических деформаций на образцах (см. рис. 3, в).
б)
20 "С -40 °с
Св08Г2С
г)
Рис. 3. Внешний вид образцов после испытаний на ударный изгиб: а - сварка с двухструйной подачей газов в зону горения дуги; б - сварка в газовой смеси Аг + СО2 по традиционной технологии; в - образцы с большой долей вязкого волокна в изломе; г - образцы с большой долей хрупкого волокна в изломе
Для объяснения данного факта были проведены исследования химического состава наплавленного металла шва при помощи спектрального оптико-эмиссионного анализа с использованием
спектрометра SOLARIS GNR.
На рис. 4 представлены зависимости ударной вязкости от содержания марганца в наплавленном металле шва при различной температуре.
240
Д ж/см2 180 150
I
120 90
кси
20°C
1 d \ -20 •c
h
Jjj -40 °C
.jm-rF
0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 % Мп--
Рис. 4. Зависимость ударной вязкости металла сварного шва от содержания марганца при различной температуре испытаний
Анализ полученных данных свидетельствует о снижении ударной вязкости с увеличением содержания марганца (Мп) свыше 1,05 %. Таким образом, можно предположить, что чрезмерное легирование сварочной проволоки элементами-раскислителями в этом случае (при использовании проволок Св-08Г2С) приводит к превышению их допустимой концентрации в металле сварного шва, снижая тем самым ударную вязкость соединения. При этом часть элементов-раскис-лителей не вступает в реакцию с кислородом.
Таким образом, до определённого предела легирование металла сварного шва марганцем повышает ударную вязкость, однако большое его содержание приводит к снижению этого показателя, особенно при отрицательных температурах. Итак, наиболее вероятной причиной хрупкого разрушения образцов, сваренных проволоками типа Св-08Г2С
при отрицательных температурах испытаний, является чрезмерное содержание марганца в металле сварного шва.
Данные исследования проведены для значения силы сварочного тока 180 А. Вместе с тем параметры режима оказывают существенное влияние на металлургические процессы, происходящие при сварке. Так, например, увеличение значений силы сварочного тока связано с необходимостью повышения значений напряжения на дуге с точки зрения стабильности её горения. Между тем напряжение на дуге, как было описано ранее, оказывает непосредственное влияние на протекание металлургических реакций на стадии капли. Кроме того, повышение значений параметров режима приводит к увеличению размеров сварочной ванны.
В связи с этим важным этапом исследований выступает оценка влияния параметров режима сварки на механические свойства сварного соединения.
Основной задачей проводимых исследований являлось определение зависимости между значениями параметров режима и ударной вязкостью металла шва, полученного с использованием рассматриваемых проволок по традиционной технологии сварки в газовой смеси Лт + С02 и с использованием двухструй-
ной подачи газов в зону горения дуги.
Сварка образцов осуществлялась по методике, описанной ранее. Тип сварного соединения С7. Значение силы сварочного тока при проведении экспериментов изменялось от 180 до 300 А. Результаты механических испытаний на ударный изгиб представлены на рис. 5.
а)
250
Дж/см2
200
175
б)
кси
150
125
100
Г
1
2
3
180 200 220 240 260
^ пв *
L_ f J
¥ 5 j/g
k A
j/sL
i
300
Рис. 5. Зависимость ударной вязкости металла шва сварного соединения от режимов сварки при использовании различных проволок (температура 20 °С): а - температура испытаний 20 °С; б - температура испытаний минус 40 °С; 1 - Св-08ГС (двухструйная коаксиальная подача газов в зону сварки); 2 - Св-08ГС (сварка в среде 82 % Лт + 18 % С02); 3 - Св-08Г2С (сварка в среде 82 % Лт + 18 % СО2)
Анализ полученных результатов показал, что по мере увеличения силы сварочного тока наблюдается чёткая зависимость ударной вязкости от типа сварочной проволоки и значения силы тока. На графиках можно выделить две характерные зоны: зону капельного переноса электродного металла, характеризующуюся значениями силы сварочного тока, не превышающими 240 А, и зону струйного переноса электродного металла (значения силы тока превышают 260 А).
Область значений силы сварочного тока, находящаяся между 240 и 260 А, характеризуется нестабильностью переноса электродного металла с переходами от капельного к струйному процессу. Эта область является нежелательной с точки зрения стабильности процесса сварки, так как технологические харак-
теристики и условия горения дуги меняются скачкообразно, что существенно затрудняет анализ влияния параметров режима на механические свойства сварного соединения. По данной причине характер изменения кривых на этом участке не исследуется и не рассматривается (пунктирные линии на графиках).
Анализ полученных результатов показал, что графики зависимости ударной вязкости наплавленного металла от силы сварочного тока с использованием проволок Св-08Г2С и Св-08ГС имеют различный характер.
В области значений силы сварочного тока, лежащей ниже 240 А и характеризующейся капельным переносом электродного металла, очевидным преимуществом при всех температурах проведения испытаний обладает проволока Св-08ГС.
Применение проволок Св-08Г2С при сварке по традиционной технологии связано с чрезмерным количеством рас-кислителей в наплавленном металле, что обуславливает более низкие значения ударной вязкости. Однако с возрастанием значений силы тока и напряжения на дуге это количество снижается, что приводит к повышению ударной вязкости. С другой стороны, количество элементов при использовании проволок типа Св-08ГС при этом становится недостаточным для выполнения реакций раскисления и ударная вязкость наплавленного металла, напротив, начинает достаточно интенсивно снижаться.
В области капельного переноса электродного металла (значения силы сварочного тока менее 240 А) данные процессы объясняются увеличением времени существования капли, что приводит к повышению времени её взаимодействия с кислородом, находящимся в защитной атмосфере в результате диссоциации углекислого газа.
Таким образом, установлено, что проволока Св-08ГС обладает преимуществом использования для обеих технологий сварки в этом диапазоне значений параметров режима сварки, т. к. позволяет получить более высокие значения ударной вязкости металла шва по сравнению с проволокой Св-08Г2С.
Область струйного переноса электродного металла характеризуется значениями силы сварочного тока свыше 260 А. При этом наблюдается качественное изменение характера переноса электродного металла, существенно повышается температура плазмы дуги. Данные процессы оказывают непосредственное влияние на протекание металлургических реакций как на стадии капли, так и в расплавленном металле сварочной ванны.
Анализ полученных результатов показал, что тенденция уменьшения значений ударной вязкости для проволоки Св-08ГС на данном участке сохраняется. Причем для традиционной
технологии газовой защиты смесью 82 % Аг + 18 % СО2 она принимает более интенсивный характер, чем на участке капельного переноса электродного металла (на токах до 240 А). Ударная вязкость при этом снижается более чем на 25 %, что делает проволоку Св-08ГС неэффективной для использования.
В то же время, как было описано ранее, процесс сварки с двухструйной подачей защитных газов в зону горения дуги характеризуется переменным составом защитной атмосферы по вертикальной оси. Причем с увеличением расстояния от поверхности изделия количество углекислого газа в образующейся смеси снижается и атмосфера становится более инертной. Сварка же на повышенных значениях силы тока и напряжения на дуге характеризуется большей длиной дуги. Торец плавящейся электродной проволоки в этом случае будет с ростом напряжения находиться в более инертной среде. При использовании проволок Св-08ГС данное обстоятельство позволит избежать чрезмерного снижения количества элементов-раскислителей в металле шва.
Анализ поверхностей разрушения образцов показал, что использование проволоки Св-08ГС в условиях двух-струйной подачи защитных газов в зону сварки характеризуется существенно большей вязкой составляющей волокна в изломе (рис. 6 и 7). Это говорит о меньшем содержании растворенных оксидных частиц, повышающих температуру перехода в хрупкое состояние.
Таким образом, анализ результатов механических испытаний сварных соединений, полученных с использованием проволок Св-08ГС в условиях двух-струйной подачи защитных газов в зону горения дуги, показал, что данная проволока обладает преимуществом не только на токах до 240 А, но и в области струйного переноса электродного металла (значения силы сварочного тока более 260 А).
Рис. 6. Внешний вид поверхности излома образцов, сваренных с двухструйной подачей защитных газов в зону горения дуги при использовании проволоки Св-08ГС: а - 1св = 180 А; б - 1св = 240 А;
в - 1св = 260 А; г - 1св = 300 А (температура испытаний минус 40 °С)
а)
б)
в)
г)
Рис. 7. Внешний вид поверхности излома образцов, сваренных проволокой Св-08ГС в условиях традиционной технологии газовой защиты смесью 82 % Аг + 18 % СО2: а - 1св = 180 А; б - 1св = 240 А;
в - 1св = 260 А; г - 1св = 300 А (температура испытаний минус 40 °С)
Особенности формирования защитной газовой атмосферы в этом случае позволяют устранить падение значений ударной вязкости в области значений силы сварочного тока более 260 А, расширив вместе с тем диапазон её рационального использования.
Выводы
1. Особенности формирования защитной газовой атмосферы при двух-струйной подаче защитных газов в зону сварки позволяют существенно расширить область рационального использования присадочных сварочных проволок отечественного производства с пониженным содержанием элементов рас-кислителей типа Св-08ГС при сварке низкоуглеродистых сталей.
2. На повышенных значениях параметров режима сварки, характеризующихся струйным переносом электродного металла (более 260 А) и большим временем существования капли при капельном переносе (240...260 А), отсутствует свойственное сварке в защитных газовых смесях падение ударной вязкости наплавленного металла шва, связанное с недостаточным количеством эле-ментов-раскислителей. Использование двухструйной газовой защиты по предлагаемой технологии позволяет устранить этот недостаток благодаря компенсации потерь элементов-раскислителей за счет снижения окислительного потенциала защитной газовой атмосферы в области торца плавящейся электродной проволоки при повышении напряжения на дуге.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Куликов, В. П. Технология сварки плавлением и термической резки : учебник / В. П. Куликов. -Минск : Новое знание ; Москва : ИНФРА-М, 2016. - 463 с. : ил.
2. Коротеев, А. О. О потерях электродного металла при дуговой сварке в условиях комбинированной газовой защиты / А. О. Коротеев, В. П. Куликов, М. А. Кадров // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2014. -№ 3 (44). - С. 25-34.
3. Коротеев, А. О. Дуговая сварка в условиях кольцевого потока защитного газа / А. О. Коротеев, В. П. Куликов, М. А. Кадров // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2013. - Ч. 1. - С. 176-177.
Статья сдана в редакцию 27 июня 2017 года
Артур Олегович Коротеев, ассистент, Белорусско-Российский университет. Тел.: 8-029-845-49-70. Валерий Петрович Куликов, д-р техн. наук, проф., Белорусско-Российский университет. Тел.: 8-022-227-37-43.
Валерий Петрович Долячко, инженер, Белорусско-Российский университет. Тел.: 8-022-227-37-43.
Artur Olegovich Koroteyev, assistant lecturer, Belarusian-Russian University. Phone: 8-029-845-49-70. Valery Petrovich Kulikov, DSc (Engineering), Prof., Belarusian-Russian University. Phone: 8-022-227-37-43. Valery Petrovich Dolyachko, engineer, Belarusian-Russian University. Phone: 8-022-227-37-43.
