CC BY
59
© Е.А. Зернин, И.Р. Сабиров, М.А. Кузнецов, 2010
УДК 621.791.05
Е.А. Зернин, И.Р. Сабиров, М.А. Кузнецов
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Приведены результаты исследований прочностных и пластических свойств сварных соединений, выполненных с применением защитных покрытий. Выявлены причины изменения механических свойств сварных соединений.
Ключевые слова: сварка в углекислом газе, защитные покрытия, трудоемкость изготовления сварных конструкций, предел прочности и ударная вязкость сварных соединений.
Т/Г звестно, что наибольшая доля затрат при сварке в СО2
.ЖЛ. приходится на зарплату и сварочные материалы. Поэтому для повышения экономической эффективности сварки в СО2 необходимо в первую очередь снижать расходы по этим статьям. Это может быть достигнуто уменьшением сечения разделки и катета шва, уменьшением разбрызгивания, увеличением коэффициента наплавки и скорости сварки, экономией расхода СО2 и снижением стоимости защитного газа, уменьшением трудоемкости изготовления сварных конструкций, увеличением ресурса работы сварочной аппаратуры [1].
Сварка в углекислом газе является высокопроизводительным процессом, но имеет существенный недостаток, заключающийся в повышенном разбрызгивании металла, что ведет к сцеплению капель металла с поверхностью свариваемых деталей и элементов сварочной аппаратуры. Трудоемкость зачистки сварных соединений от брызг весьма значительна и в некоторых случаях достигает 30-40% трудоемкости всего процесса сварки, а трудоемкость зачистки деталей сварочной аппаратуры составляет 10-15% от нее. Процесс зачистки осуществляется ручными шлифовальными машинами и вибромолотками, уровни виброскоростей которых, как правило, превышают санитарные нормы, что приводит к виброболезни рабочих, занятых на этой операции. Анализ заболеваемости виброболезнью рабочих показывает, что предрасположенность их к этой болезни появляется через 7 - 8 лет работы, а сама виброболезнь наступает уже к 10 годам работы [2].
Снижения набрызгивания на поверхности свариваемых деталей добиваются путем нанесения защитных покрытий. В общем случае способы защиты свариваемых изделий от брызг расплавленного металла заключается в том, что поверхность металла, подлежащей сварке, покрывают слоем раствора веществ, высыхающего перед сваркой и препятствующего прилипанию брызг к основному металлу [3].
Анализ известных защитных покрытий показал [4], что для дальнейшего более эффективного использования защитных покрытий и разработки новых, необходимо провести ряд исследований существующих покрытий для оценки их влияния на прочность и пластичность сварных соединений.
Для исследования влияния защитных покрытий на прочностные и пластические свойства сварных соединений был выбран ряд покрытий [4]:
- на водной основе;
- на основе жидкого стекла;
- на основе растворителя или ацетона.
Образцы были изготовлены из листовой стали і0ХСНД и Ст3 толщиной і0 мм с V-образной разделкой кромок. В качестве сварочных материалов применяли проволоку Св-08Г2С (ГОСТ2246-85) диаметром і,6 мм и углекислый газ (Г0СТ8050-85). Режимы сварки: 1св=300 А, ид=28 В. Предел прочности при растяжении определялся по ГОСТ і497-84 на разрывной машине «ALFRED J. AMSLER», соответствующей ГОСТ7855-84. Ударная вязкость определялась по ГОСТ9454-84 на маятниковом копре МК-30 (ГОСТі0708-82) с U-образным концентратором по середине шва при температуре +20оС.
Защитные покрытия наносили на образцы по всей поверхности с попаданием на свариваемые кромки. Нанесение по всей поверхности было обусловлено опытом, основанным на реальных условиях машиностроительного производства, а также экспериментальными исследованиями поведения покрытия после нанесения [5]. Гистограммы прочностных и пластических свойств сварных соединений, выполненных с применением покрытий, представлены на рис. 1 и 2.
а„, МПа 4651-
450
435
420
405
390
375
а„, МПа 7001----------
680
660
640
620
600
580
без
покрытия
В16
АЖС
В12
без В15 покрытия
а б
Рис. 1. Прочность сварных соединений: а -сталь Ст3; б -Сталь10ХСНД
КБЖ
В13
аН, Дж/см2 12(1--------
100 “ 80“ 60“ 40“ 20“ 0і"
аН, Дж/см2 140 120 100 80 60 40 20 0
без В12
без покрытия В16 АЖС покрытия
а б
Рис. 2. Ударная вязкость сварны/х соединений: а - сталь Ст3; б - Сталь10ХСНД
В15 КБЖ В13
По результатам экспериментальных исследований установлено, что прочностные и пластические свойства сварных соединений, выполненных с защитным покрытием и без него, различны. Механические свойства сварных соединений, выполненных с применением защитных покрытий В16, АЖС, и КБЖ значительно снизились, а именно: с применением покрытия В16 предел прочности при растяжении снизился на 11%, ударная вязкость снизилась на 14%; с применением покрытия АЖС предел прочности при растяжении снизился на 12%, ударная вязкость снизилась на 27%; с применением покрытия КБЖ предел прочности при растяжении снизился на 10%, ударная вязкость снизилась на 18%. Вероятно, это связано с возникновением пор в металле сварного шва.
Причиной возникновения пор в металле шва, вероятно, является следствие разложения защитных покрытий, попавших в зону сварки.
В покрытии В16 органическое вещество декстрин при нагреве разлагается, образуя водород и различные сложные газы СО, СО2, Н2О при наличии некоторого количества свободного кислорода [6].
Поглощенный кислород может находиться в металле в растворенном состоянии в виде оксидов или создавать неметаллические включения. И то, и другое резко снижает качество сварных соединений [7]. Но основная масса кислорода в металле обычно находится в неметаллических включениях [8].
При нагреве жидкое стекло, входящее в состав покрытия АЖС, разлагается:
^Ю3Н20^ К20+БЮ2+ НО
Оксид калия К20 имеет молярную массу 94 г/моль. Чистое железо имеет молярную массу 56 г/моль. В результате того, что К20 тяжелее железа, оксид калия оседает, не взаимодействуя с металлом сварного шва. В результате образуется включения, снижающие механические свойства сварного соединения.
Оксид алюминия А1203, входящий в состав покрытия АЖС влияет следующим образом на механические свойства сварного шва: он не растворяется в металле, образуя включения, что также понижает качество сварных соединений [7].
Вероятно, основной причиной снижения механических свойств сварного соединения в данном случае является наличие воды в жидком стекле. Вода не разлагается, а попадает в металл шва в виде пара, который образует поры.
Незначительное снижение механических свойств сварных соединений наблюдается при применении защитного покрытия В13 -предел прочности при растяжении снизился на 1,5%, ударная вязкость снизилась на 9%.
Механические свойства сварных соединений, выполненных с применением защитных покрытий В12 и В15, не изменились по сравнению с механическими свойствами сварного соединения, выполненного без защитного покрытия.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федько В.Т. Теория, технология и средства снижения набрызгивания и трудоемкости при сварке в углекислом газе. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. -432с.
2. Гришагин В.М., Федько В.Т. Влияние вибрации, возникающей при зачистке сварных изделий от брызг металла, на организм человека // Безопасность жизнедеятельности. - 2003. - № 12. - С. 8-10.
3. Федько В.Т., Зернин Е.А. Основные причины разбрызгивания и способы защиты свариваемых изделий от брызг расплавленного металла // Технология машиностроения. - 2003. - № 6. - С. 39-41.
4. Федько В.Т., Сапожков С.Б., Зернина Е.В. Покрытия для защиты поверхности от набрызгивания при наплавке и сварке в СО2 // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2003. - №3. - С. 41-47.
5. Зернин Е.А., Федько В.Т., Сапожков С.Б. Тепловое воздействие дуги на вязкость и защитные свойства защитных покрытий, находящихся в различном агрегатном состоянии, при сварке в углекислом газе // Известия Томского политехнического университета. - 2002. - Том 305. - Вып. 2. - С. 235-238.
6. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. М.: Высш. шк., 1967. 508 с.
7. Теория сварочных процессов. / Под ред. В.В. Фролова.- М.: Высш. шк., 1998. - 559 с.
8. Потапов Н.Н. Основы выбора флюсов при сварке сталей. М.: Машиностроение, 1979. 169 с. ЕШ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Зернин Е.А. - кандидат технических наук, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета E-mail: yuti_sp@bk.ru.
Сабиров И.Р. - Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета,
E-mail: ili602@rambler.ru
