CC BY
26
УДК 621.791.927
Д-р техн. наук В. Н. Матвиенко
Государственное высшее учебное заведение «Приазовский государственный технический университет»,
г. Мариуполь
ОЦЕНКА ТОКА ШУНТИРОВАНИЯ ПРИ НАПЛАВКЕ ОДИНАРНЫМ И СОСТАВНЫМ ЛЕНТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
ПОД ФЛЮСОМ
Приведены результаты замера тока шунтирования дуги шлаком при наплавке одинарным и составным ленточным электродом под флюсом, полученные с использованием методики зондирования межэлектродного промежутка. Оценено влияние регулирования взаимного расположения основной и боковых лент составного электрода на долю тока шунтирования, стабильность режима наплавки, неравномерность расплавления ленточных электродов.
Ключевые слова: наплавка, флюс, составной ленточный электрод, основная и боковые ленты, ток дуги, ток шунтирования, режим, неравномерность расплавления ленты.
Введение
Наплавка ленточным электродом под флюсом -эффективный и широко применяемый способ нанесения покрытий со специальными свойствами на ответственные изделия, надежность эксплуатации которых зависит от качества наплавленного слоя. Для обеспечения качества наплавленного слоя необходимо, в свою очередь, повысить надежность сплавления с основным металлом, не допуская образования дефектов формирования валика. Это может быть достигнуто перераспределением тепловой мощности дуги, горящей на торце, усиливая ее тепловложение на участках наиболее вероятного появления дефектов.
С целью улучшения качества и повышения производительности процесса широкослойной наплавки лен-
тами разной толщины и жесткости, разработан способ наплавки составным ленточным электродом. Такой электрод состоит из основной (средней) и двух дополнительных (боковых) лент (рис. 1), взаимное расположение которых, а также соотношение скоростей подачи, может регулироваться [1].
При наплавке составным ленточным электродом возможность изменения положения боковых лент относительно основной, соотношения скоростей их подачи, зазора между ними, позволяет регулировать распределение тепла и расплавленного металла по ширине сварочной ванны, влияя на характер ее формообразования, формирование валика и зоны про-плавления. Изменяя расположение лент составного
1 а
2
а
б
Рис. 1. Способ наплавки составным ленточным электродом и схемы расположения лент: 1 - основная (средняя) лента; 2 - боковые ленты; а - угол поворота боковых лент относительно основной ленты
© В. Н. Матвиенко, 2014 86
в
г
электрода (рис. 1), можно влиять на размеры (длину и ширину) сварочной ванны. Кроме того, широкие возможности управления химическим составом наплавленного металла открываются при использовании лент из различных сплавов, обеспечивающие получение разнородных зон в поперечном сечении одинарного валика и в многослойной композиции.
С использованием ленточного электрода, имеющего значительно большую (чем электродная проволока) поверхность контакта с расплавленным флюсом, доля тока, проходящего через расплавленный шлак 1Ш, значительно возрастает. При этом, в зависимости от соотношения тока дуги 1Д и тока шунтирования 1цр процесс наплавки может быть близким к чисто дуговому, смешанным или перемежающимся, либо близким к электрошлаковому. Соответственно изменяется эффективность плавления электродного и основного металла, флюса, причем для электрошлакового процесса характерна более высокая эффективность расплавления электрода, но меньшая эффективность расплавления основного металла.
При наплавке ленточными электродами соотношение тока дуги 1Д и тока шунтирования 1Ш зависит не только от состава и теплофизических свойств флюсов, параметров режима, но также от формы и размеров ленточного электрода. Широкие возможности управления соотношением 1Д и 1Ш открывает использование для наплавки составного ленточного электрода [1-3]. Изменяя положение боковых лент относительно средней, а также массовые (линейные) скорости подачи каждой из них, можно управлять долей тока шунтирования 1Ш/ (1Н=1Д+1Ш), влияющей на характер процесса наплавки, формообразование сварочной ванны, условия плавления флюса, электродного и основного металла.
Поскольку величина 1Ш растет при замене наиболее компактного сечения (проволока) наименее компактным (лента), логично предположить следующее. Ток шунтирования должен возрастать при увеличении ширины ленты и уменьшении ее толщины, а при наплавке составным ленточным электродом - зависеть от положения боковых лент относительно средней. Если боко-
вые ленты «отстают» от средней (| |), при смешанном характере процесса, основная роль в зоне расположения средней ленты должна принадлежать дуговому процессу, а в зоне расположения боковых лент -электрошлаковому. При изменении положения лент за счет перемещения боковых лент в направлении вектора скорости наплавки (|-1) дуговой процесс должен
преобладает лишь в зоне вынесенных вперед кромок боковых лент, в то время как для остальной их части, как и в зоне средней ленты, определяющая роль должна принадлежать электрошлаковому процессу. В зоне боковых лент, расположенных впереди средней (1_|), должен преобладать дуговой процесс. Вместе с тем, «отставание» средней ленты, торец которой контактирует с жидким шлаком, может способствовать росту 1Ш и возрастанию доли электрошлакового процесса [3].
Хотя косвенным подтверждением этих предположений может служить характер оплавления торцов лент составного ленточного электрода, достоверная оценка процесса потребовала применения методики замера тока шунтирования.
Проведение исследований
При определении величины тока, проходящего через расплавленный флюс, надежные данные позволяет получить методика электрического зондирования межэлектродного промежутка [4-7]. Методика реализуется с помощью электрической схемы, предусматривающей отключение сварочного источника и подключение дополнительного зондирующего источника с пониженным напряжением, исключающим существование дугового процесса. В усовершенствованной совместно с Б. И. Носовским схеме замера [4, 7] по осциллограммам процесса фиксируется значение тока дуги 1Д и тока зондирующего источника 1ЗИ после мгновенного отключения сварочного источника ИП, питающего дугу постоянным током обратной полярности. Параметры дуги и зондирующего источника вБ регистрируются светолучевым осциллографом Н-105 (гальванометры М014-1200) (рис. 2).
I GB
//////// //// . . -"¿'■.■■'■"'////'¿'■г-
/у./,',',',-
Рис. 2. Схема установки для электрического зондирования межэлектродного промежутка дополнительным источником в
процессе наплавки под флюсом
Для повышения точности измерения тока зондирующего источника I (что зависит от скорости отключения сварочного источника и подключения зондирующего), в усовершенствованной схеме применен быстродействующий механический размыкатель 8, позволяющий резко снизить время отключения сварочного источника, электродвигателей подачи ленточного электрода и перемещения сварочного аппарата [4, 7]. Включение зондирующего источника осуществляется бесконтактным элементом - диодом УО (рис. 2).
При встречном включении сварочного и зондирующего источников диод закрыт приложенным в непроводящем направлении напряжением сварочного источника, превышающем в 3.. .4 раза напряжение зондирующего источника. После возбуждения дуги и перехода к стационарному процессу наплавки (образованию характерного для данного режима количества расплавленного флюса), срабатывает быстродействующий раз-
мыкатель 8 и от измеряемой цепи отключается сварочный источник. Включается схема динамического торможения двигателей подачи электрода и тележки перемещения сварочного аппарата. Мгновенно (что зависит только от времени открытия диода УО) зондирующий источник вБ (аккумулятор напряжением 12 В) подключается к межэлектродному промежутку, и ток протекает в цепи «зондирующий источник вБ - диод УО - межэлектродный промежуток - шунт Я82 гальванометра В3». При выборе напряжения зондирующего источника и И исходили из условия предотвращения повторного возбуждения дуги. Для этого соблюдается условие изи < (ик + и), где ик и иА - прикатодное и прианодное падение напряжения.
На рис. 3 представлены типичные осциллограммы замера тока зондирующего источника для процесса наплавки под флюсом в режиме, близком к дуговому (рис. 3, а, в) и электрошлаковому (рис. 3, б, г). Ток зон-
;„ / и» ЛЛЛЛЛА/" 5
/ 1д с/ Г-4 ^Ч / 1зи
\ иЛ
\
о а 11,
ЛЛЛЛЛЛЛ
ид
\
V
1 с
и
и
о
б
в
г
д
е
Рис. 3. Осциллограммы процесса электрического зондирования межэлектродного промежутка при наплавке под флюсом: а, в - осциллограммы замера тока зондирования в процессе, близком к дуговому; б, г - в электрошлаковом процессе; д, е - в перемежающемся процессе наплавки составным ленточным электродом
дирующего источника I изменяется по сложному закону, включая ветви нарастания и снижения (соответственно, участки 4-5 и 5-6, рис. 3, а). Как видно из осциллограмм, время отключения сварочного источника близко к нулю (участок 1-2). При включении зондирующего источника вБ ток зондирования 1И резко возрастает (участок 2-3), оставаясь постоянным на участке 3-4. За промежуток времени от точки 1 до точки 3 (~ 0,004 с) исчезает остаточная проводимость плазмы (по данным [8] полная деионизация газа в дуговом промежутке под флюсом происходит за время менее 0,003 с). Поскольку за это время теплофизические характеристики токопроводящего слоя шлака практически не успевают измениться, значение тока зондирования 1ЗИ на участке 3-4 позволяет (при соответствующем пересчете) наиболее достоверно оценить величину тока шунтирования 1Ш [4, 7].
С уменьшением давления в газовом пузыре внутри шлаковой оболочки изменяется сечение токопроводя-щего слоя шлака, а также геометрия прослойки жидкого металла под ленточным электродом (остановленным путем динамического торможения двигателя подачи). Это приводит к возрастанию тока зондирования (участок 4-5). Вместе с тем, по мере снижения температуры и, следовательно, электропроводности шлака уменьшается ток зондирования 1И (участок 5-6). Величина 1ЗИ на этом участке может лишь случайно совпадать со значениями I на участке 3-4. Это влияет на погрешность оценки 1Ш по преддуговому току, особенно, при использовании электромагнитного размыкателя в цепи отключения сварочного источника. По сравнению с процессом близким к дуговому, осциллограмма процесса зондирования межэлектродного промежутка при наплавке ленточным электродом в электрошлаковом режиме отличается отсутствием участка нарастания тока (рис. 3, б).
Величина тока шунтирования 1Ш определяется из зависимости:
IШ
и Д ■ IЗИ и зи
(1)
где ид и и3и - напряжение на дуге и межэлектродном промежутке при электрическом зондировании, соответственно, В;
1ЗИ - величина тока зондирующего источника, А.
Определяемая расчетом величина тока, шунтирующего дугу Ш рассматривается как максимально возможное значение тока шунтирования. Последнее обстоятельство определяется тем, что шунтирование дуги происходит не только через шлак, но и короткими замыканиями межэлектродного промежутка каплями, стекающими с торца ленточного электрода в ванну.
С использованием усовершенствованной методики зондирования межэлектродного промежутка [4, 5] замеры 1ЗИ осуществляли при наплавке как одинарным, так и составным ленточным электродом. В качестве одинарных использовались ленточные электроды Св-08кп сечением 30x1 мм и 60x0,5 мм, а также Св-07Х25Н13 сечением 60x0,5 мм в сочетании с флюсами АН-348А, ЖСН-5 и 0Ф-10, вязкость, электропроводность и энтальпия расплавов которых существенно отличаются. Анализ осциллограмм позволил оценить влияние геометрии электродов и их состава на долю тока шунтирования (рис. 4). Доля тока шунтирования 1Ш/ 1Н и характер процесса в значительной степени зависят от теплофизических свойств применяемых флюсов. Так, при наплавке ленточным электродом из стали марки Св-08кп сечением 60x0,5 мм под флюсом АН-348А доля тока шлаковой проводимости при напряжении 32...34 В достигает 35.40 %. Вместе с тем, при наплавке на том же режиме с использованием флюса ЖСН-5, электропроводность которого значительно ниже, доля 1Ш/1Нсоставляет 15.20 % (рис. 4).
н ^
X
^ х"
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
30х1 мм 20Х4МФБ
60х0,5 мм Св-08кп 75х0,5 мм 07Х25Н13
И ЖСН-5 ■ АН-348А □ ОФ-10 □ АН-90
Рис. 4. Влияние флюса, сечения и состава ленточного электрода на долю тока шунтирования
При наплавке в равноценных условиях лентой из стали марки 20Х4МФБ сечением 30х 1,0 мм с использованием флюса АН-348А доля 1Ш/ 1Н в 2 раза меньше, чем для ленты сечением 60х0,5 мм. При наплавке лентой из стали марки 07Х25Н13 сечением 75х0,5 мм под флюсом 0Ф-10 доля тока шлаковой проводимости составляет 35.. .40 %, а при наплавке под флюсом АН-90 - 40.. .45 %.
Для замеров тока, шунтирующего дугу через расплавленный шлак, при наплавке под слоем флюса АН-348А составным ленточным электродом материалом лент служила сталь марки Св-08кп (средняя лента -50х0,5 мм, боковые ленты - 25х 1,0 мм). Боковые ленты располагались вдоль направления наплавки, средняя -перпендикулярно этому направлению (рис. 1). Подающим механизмом обеспечивалось перемещение средней ленты относительно боковых, сохраняя перпендикулярность между ними. Режим наплавки: 1Н = 1200 А, Пп = 30.32 В, х = 3,0.4,5 мм/с.
ДН
В процессе исследований изменения тока наплавки регистрировались осциллографом, фиксировался также характер оплавления торцов средней и боковых лент составного электрода. Обработка осциллограмм позволила оценить влияние расположения лент составного электрода на долю тока шунтирования (рис. 5). В результате замеров тока зондирования, определения доли тока шунтирования 1Ш / 1Н и анализа характера оплавления торцов лент подтвердились высказанные выше представления о характере процесса наплавки составным ленточным электродом под флюсом.
При наплавке 1_I- образным электродом (рис. 1, в)
доля тока шунтирования составляет 1Ш / 1Н » 28.33 %; в
случае наплавки I-\- образным электродом (рис. 1, б)
1Ш1 /я «33...38 %; при использовании | |- образного электрода (рис. 1, г) возникают более благоприятные условия для преобладания электрошлакового процесса - доля тока шунтирования возрастает до 44.49 % (рис. 5). С увеличением скорости наплавки (3,0.4,5 мм/с) |-- образным составным ленточным электродом отмечается снижение доли тока шунтирования до 20 .25 %.
При наплавке составным ленточным электродом в зависимости от положения боковых лент относительно средней изменяется характер оплавления торцов каждой из них (рис. 6). В случае расположения боковых лент впереди средней, их торцы оплавлены меньше, чем торец средней ленты, оплавленный шлаком (рис. 6, а). С расположением средней ленты впереди боковых (рис. рис. 6, в), ее торец оказывается ниже уровня оплавления боковых лент, расположенных в зоне преимущественного влияния электрошлакового процесса.
В случае наплавки составным ленточным электродом симметричного сечения (рис. 6, б) более интенсивное оплавление участков торцов боковых лент, расположенных позади средней ленты, подтверждает существенное влияние нагрева шлаком на «мокром вылете» на эффективность расплавления ленточного электрода. При этом усредненная разность уровней оплавления торцов лет - минимальна.
Преимущества, создаваемые возможностью управления соотношением дугового и электрошлакового процессов при наплавке составным ленточным электродом, позволяют не только расширить область рекомендуемых режимов, но и обеспечить технологическую стабильность процесса, что обеспечивает повышение качества наплавленного слоя.
Выводы
1. Усовершенствованная методика оценки тока шунтирования дуги расплавленным шлаком путем электрического зондирования межэлектродного промежутка позволяет повысить точность замеров и оценить долю 1Ш в зависимости от геометрии одинарных и составных ленточных электродов, состава и свойств флюса.
2. Получено экспериментальное подтверждение влияния тока шунтирования дуги через шлак на роль дугового и электрошлакового процессов при наплавке составным ленточным электродом. Путем независимого регулирования взаимного расположения основной и двух боковых лент, образующих составной электрод,
Расположение средней ленты относительно боковых
Т ин
Характер изменения тока
,1 , !
Рис. 5. Доля тока шунтирования и осциллограммы изменения тока при наплавке составным ленточным электродом
Рис. 6. Характер оплавления торцов лент составного ленточного электрода (средняя лента 50x0,5 мм, боковые - 25x1,0 мм;
Н = 1200 А; UД = 30...32 В; хН = 3,9 мм/с; флюс АН-348А)
установлена возможность эффективного воздействия на стабильность параметров режима, характер нагрева и плавления торцов лент составного электрода, формообразование сварочной ванны.
Список литературы
1. А. с. 1277499 СССР, МКИ В23К 9/04. Способ наплавки расщепленным ленточным электродом / [В. Н. Матвиенко, Л. К. Лещинский, Ю. В. Белоусов и др.] (СССР). -№ 3862572/25-27 ; заявл. 04.03.85 ; опубл. 15.08.86, Бюл. № 46.
2. Лещинский Л. К. Влияние формы электродной ленты на качество наплавленного слоя стали / Л. К. Лещинский, В. Н. Матвиенко, В. П. Лаврик // Автоматическая сварка. - 1985. - № 9. - С. 60-62.
3. Лещинский Л. К. Форма сварочной ванны при наплавке составными ленточными электродам / Л. К. Лещинский, В. Н. Матвиенко, С. В. Гулаков // Автоматическая сварка. - 1991. - № 11. - С. 58-60.
4. Гулаков С. В. Наплавка под флюсом ленточным электродом / С. В. Гулаков, В. Н. Матвиенко, Б. И. Носовский. - Мариуполь : ПГТУ, 2006. - 136 с.
5. Особенности процесса наплавки двумя электродными лентами под флюсом / В. П. Лаврик, Л. К. Лещинский, Б. И. Носовский, В. Н. Матвиенко // Автоматическая сварка. - 1990. - № 6. - С. 50-54.
6. Размышляев А. Д. Исследование тока, шунтирующего дугу через шлак, при наплавке под флюсом / А. Д. Раз-мышляев // Сварочное производство. - 1982. - № 5. -С. 38-39.
7. Особенности процесса дуговой сварки под флюсом / [Б. И. Носовский, Л. К. Лещинский, О. Б. Брайловский, В. Н. Матвиенко] // Автоматическая сварка под флюсом : сб. науч. трудов. - Л. : ЛДНТП, 1981. - С. 47-50.
8. Ленивкин В. А. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах / В. А. Ленивкин, Н. Г. Дюргеров, Н. Х. Сагиров. - М. : Машиностроение, 1989. - 264 с.
Одержано 20.06.2014
Матшенко В.М. Оцшка струму шунтування при наплавлент одинарним i складеним с^чковим електродом пщ флюсом
Наведено результати вимгру струму шунтування дуги шлаком при наплавленнi одинарним i складеним стргчковим електродом пiд флюсом, отриманi з використанням методики зондування мiжелектродного промiжку Оцтений впливрегулювання взаемногорозташування основное i бiчних стрiчок складеного електрода на долю струму шунтування, стабiльнiсть режиму наплавлення, нерiвномiрнiсть розплавлення стрiчкових електродiв.
Ключовi слова: наплавлення, флюс, складений стрiчковий електрод, основна i бiчнi стрiчки, струм дуги, струм шунтування, режим, нерiвномiрнiсть розплавлення стрiчки.
Matviyenko V. Estimation of the value of bypass current in the submerged arc surfacing with a singular and composite strip electrode
The results of the estimation of bypass current value in submerged arc surfacing with a singular and composite strip electrode using the improved method of sensing the arc are presented. It is shown that the central and lateral strip arrangement influences the value of bypass current, stability of welding parameters, and non-uniformity of the composite strip electrode melting.
Key words: submerged arc surfacing, flux, composite strip electrode, central and lateral strips, arc current, bypass current, welding parameters, non-uniformity of strip melting.
в
