CC BY
46УДК 621.791.754
А.С. Павлов
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПЕРАТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГЛУБИНЫ ПРОПЛАВЛЕНИЯ СЛОЯ ШВА ПО ТОЛЩИНЕ ЖИДКОЙ ПРОСЛОЙКИ ПРИ СВАРКЕ В ЩЕЛЕВУЮ РАЗДЕЛКУ КРОМОК
Нижегородский государственный технический университет им.Р.Е. Алексеева
Проведен анализ существующих методик определения толщины жидкой прослойки в сварочной ванне. Показано влияние основных параметров режима сварки, а также величины жидкой прослойки в сварочной ванне на глубину проплавления слоёв шва.
Ключевые слова: щелевая разделка, глубина проплавления, толщина жидкой прослойки, автоматическая сварка в защитных газах.
Толщина жидкой под дугой в сварочной ванне 5ж является главным параметром, определяющим стабильность проплавления слоя шва. В этой связи приобретает вопрос определения толщины 5ж расчетным или экспериментальным методами.
Известны расчетные методы определения толщины 5ж, полученные на основании решения тепловой или гидродинамической задач [1, 2] . Совместное решение этих задач с учетом факторов, обусловливающих тепломассоперенос в сварочной ванне, не представляется возможным.
Толщину 5ж при сварке мощным концентрированным источником нагрева (электронным лучем) находят из условия квазистационарного процесса переноса за счет теплопроводности. В работе [3] наряду со сложной аналитической зависимостью между толщиной 5ж и скоростью переноса жидкого металла, включающей большое количество теплофизических коэффициентов, определение которых, как и расчет 5ж затруднителен, для практических целей предложена приблизительная формула
5Ж = 1/2(2/н - а), (1)
где а - диаметр кратера, см; 2/н - ширина зоны, нагревающейся выше температуры плавления, см.
Ширина зоны нагрева для мощного быстродвижущегося линейного /н определяется по формуле, приведенной в [3]:
2/н = , (2)
где q - тепловая мощность источника нагрева, Вт; £ - теплосодержание расплавленного металла, Вт/см; Тпл - температура плавления, оС; Усв - скорость сварки, см/с.
Следует заметить, что эта расчетная зависимость может быть использована при наличии глубокого цилиндрического канала минимальной толщины 8Ж на его стенках. Однако в большинстве сварочных процессов форма ванны вытянутая в хвостовой её части, поэтому в расчетных формулах, представленных в работах [4, 5], учитывается площадь проплавления на переднем фронте плавления сварочной ванны, форма которой близка к сферической. Используя геометрическую модель, в которой форма передней стенки сварочной ванны принималась сферической [2] или цилиндрической [3], а также основании решения тепловой задачи и ряда допущений выполнен расчет толщины 5Ж, размер которой принят усредненным.
© Павлов А.С., 2018.
В этой модели принято:
1. Плавление металла заканчивается в передней части сварочной ванны; подогрев металла за счет тепла, выделяющегося в хвостовой части сварочной ванны не учитывается.
2. Поверхность жидкой прослойки 8ж, граничащая с дугой, имеет температуру кипения жидкого металла Гкип, а поверхность, граничащая с нерасплавленным металлом, имеет температуру плавления Тпл.
Толщину жидкой прослойки находят по формуле
Гп
5ж = ч + 1 (3)
Ж РХ(Тк-Тп) 4 У
где гп - радиус изотермы плавления, см; qэ - эффективная тепловая мощность сварочной дуги, Вт; / - коэффициент теплопроводности, Вт/см; Е - площадь проплавления, см2; Тк -температура кипения жидкого металла, оС; Тп - температура плавления жидкого металла, оС.
В [6] величину прослойки жидкого металла под дугой 5ж предлагается определять по формуле (2), вводя вместо х эффективный коэффициент теплопроводности Хэ, учитывающий тепломассоперенос в сварочной ванне, что, по мнению авторов, повышает точность полученного решения. Однако для определения хэ необходимо решить критариальное уравнение при движении жидкости, имеющее вид:
#и=ЛШ Яг) , (4)
где Ки, Ш, Яг - критерии Нуссельта, Рейнольдса и Прандля соответственно.
Находить значения этих критериев применительно к расплаву сварочной ванны, имеющему различную температуру на поверхности и на границе с твердым металлом, затруднительно, так как необходимо знать изменения температуры.
В расчетную формулу (3) авторами работы [2] вводится значение полного теплового потока, включающего две составляющие: тепловой поток, необходимый для проплавле-ния основного металла qпр , и тепловой поток, идущий на подогрев qп .
Значения qпр и qп определяются по формулам
qп = Еп ут & Усв ; (5)
^'пр _ Епр Уж ^ж yсв,
где Еп и Епр - площадь проплавления и подогрева, см2; ут и уж - удельный вес твердого и жидкого металла, г/см3; £п и £ж - теплосодержание расплавленного и подогретого металла , Вт/см2.
Следует отметить некоторое несоответствие расчетных и экспериментальных значений толщины жидкого слоя, определяемого по известной методике [2] Для устранения этого несоответствия используют поправочные коэффициенты [4].
На интенсивность теплопередачи влияет величина скорости движения металла Ум, определяемая геометрическими размерами жидкой прослойки (5ж).
В [7] расчет 5ж и Ум ведется решением гидродинамической задачи. Для этого также рассматривается движение расплава у передней стенки сварочной ванны. Толщина 8ж определяется из решения системы уравнения количества движения жидкости и неразрывности потока. Для решения этих уравнений приходится задавать определенную форму переднего фронта ванны в виде сферы [7].
В [1] принято, что на одном уровне каждого сечения ванны толщина 8ж постоянна. Показано, что значения 5ж максимальны под дугой в осевой зоне шва, в которой скорость движения расплава минимальна. Значение 5ж существенным образом определя-
ется конфигурацией и размерами сварочной ванны, зависящими от тепловой мощности дуги и положения её активного анодного пятна, в центре которого газодинамическое давление максимально и, следовательно, максимальный прогиб поверхности ванны и минимальная толщина 5Ж. Другим фактором, от которого зависит толщина 5Ж, является угол наклона электрода.
Именно этими обстоятельствами и наличием конвективных потоков объясняются различные значения 5Ж в [1, 2, 7, 8]. В [8] указывается на активную роль жидкой прослойки под дугой, определяющей передачу тепла от нагрева к фронту плавления. В этой работе значения 5Ж определяются по следующей зависимости:
^ж = ^пр+ а - / , (6)
где Лпр - глубина проплавления, см; а - расстояние от конца электрода до поверхности
детали, см; 1 - длина дуги, см.
Рис. 1. Схема определения 5Ж
Значение 5Ж по предлагаемой формуле значительно превышает полученное в работах [7, 8]. Существенные различия 5Ж можно объяснить подтеканием расплавленного металла сварочной под дугу и перед дугой, что может вызвать изменения толщины 5Ж под дугой. Это связано, по-видимому, с колебательными движениями жидкого металла в сварочной ванне (гидродинамическими возмущениями), в результате которых изменяются условия вытеснения расплавленного металла. Следует заметить, что наиболее значительные изменения толщины 5Ж на переднем фронте плавления сварочной ванны происходят при сварке мощным быстродействующим источником нагрева.
Процесс в щелевую разделку, как показывает практика, целесообразно вести при небольшой мощности дуги. При поперечных её колебаниях можно достичь более равномерного распределения жидкой прослойки под дугой и получения формы сварочной ванны близкой к сферической. Это может быть выполнено при условии оптимизации параметров режима сварки. При этом условии представляется возможным расчетное определение толщины 5Ж производить по формуле (3), полученной решением тепловой задачи. В процессе сварки необходимо производить оперативное изменение и контроль толщины 5Ж.
Экспериментальное определение толщины жидкой прослойки под дугой по известной методике производят с помощью тугоплавкого (танталового или вольфрамового) зонда, располагаемого по центру свариваемого стыка. В процессе сварки зонд, находящийся выше уровня жидкого металла, оплавляется под действием дуги и по величине оставшейся нерасплавленной части зонда в приготовленном шлифе определяют толщину 5Ж [1] по схеме (рис. 2).
Рис. 2. Схема измерения толщины жидкой прослойки 8ж и глубины проплавления кпр
Указанная методика имеет следующие существенные недостатки:
1) отсутствие гарантии полного оплавления конца зонда до границы кратер-жидкая прослойка. Вследствие этого, а также из-за возникающих погрешностей при выставлении зонда по оси свариваемого стыка при колебаниях дуги точность определения 8ж низкая;
2) некоторое приближенное представление о толщине 5ж в осевой зоне и у кромки можно получать при измерении двумя зондами;
3) значительная трудоёмкость изготовления макрошлифов сварных соединений;
4) наличие конвективных потоков оказывает влияние на точность измерения значений 5ж;
5) нет возможности производить измерение и контроль толщины 5ж в процессе сварки.
В основу новой методики положен принцип зондирования сварочной ванны погружением тугоплавкого зонда и смачивание его конца жидким металлом. Измерение толщины 5ж производилось на основе использования различной проводимости плазмы дуги и жидкого металла. Известно [8], что проводимость плазмы аргоновой дуги _]п = 0,2-1,0 ом-1м-1 при токе в интервале 20 до 300 А, а проводимость жидкой стали с содержанием 0,2-0,4 % С при температуре Т = 15000 - 1700° составляет 5ж= 7' 10 5ом -1 м-1.
Изучение процесса зондирования сварочной ванны производили в ходе экспериментальных исследований с помощью установки, схема которой приведена на рис. 3.
Измерение толщины 8ж проводили в процессе автоматической сварки в щелевую разделку неплавящимся электродом труб сечением 0 200 х 15 мм из стали 30 ХГСН2А. Параметры режима сварки: сварочный ток /св = 150 А, напряжение дуги ид = 9-10 В, скорость сварки Усв = 5-6 м/ч, скорость подачи присадочной проволоки 0 1,6 мм составляла Упп = 20-25 м/ч. Зондом являлась вольфрамовая проволока диаметром 0 0,5 мм, размещенная в кварцевой трубочке диаметром 0 1,3 мм. Скорость перемещения зонда У = 0,5 м/с. Частота погружения зонда составляла 3 опускания в минуту.
Процесс зондирования осуществляли следующим образом. Ориентировали тугоплавкий зонд в положение, приближенное к перпендикулярному к поверхности сварочной ванны. Затем включали источник питания и устанавливали параметры режима сварки. После образования расплавленной сварочной ванны на изделии 6 включали электромагнит, перемещающий зонд в зону дуги (в непосредственной близости от конца электрода) и производили его погружение в ванну при одновременном осциллографи-
ровании и киносъемке процесса до момента достижения зондом стенки твердого металла. При упоре зонда в твердую стенку включался электропневмоклапан и начиналось выдувание расплавленного металла сварочной ванны струей защитного газа (аргона), синхронно с процессом выдувания выключали источник питания и гасили дугу.
Рис. 3. Принципиальная схема установки для зондирования сварочной ванны:
1 - зонд; 2 - электромагнит; 3 - электрод; 4 - электропневмоклапан; 5 - кинокамера; 6 - свариваемое изделие; 7 - шлейфовый осциллограф; 8 - источник питания; Нш - толщина наплавленного металла шва; Нв - высота гребня вытесненного металла сварочной ванны давлением дуги;
6ж - толщина прослойки жидкого металла
Тугоплавкий зонд после смачивания мог возвратиться с помощью электромагнита в исходное положение без выплескивания сварочной ванны и гашения дуги. В этом случае процесс сварки не прекращался, но и не фиксировалась точка касания дна зондом.
Толщину 5ж определяли по длине смоченной расплавленным металлом части зонда. Для облегчения смачивания зонда на одну из его сторон, обращенную противоположно дуге, предварительно наносили медное покрытие.
При измерениях с наклоном зонда по отношению к электроду вводился поправочный коэффициент, учитывающий значение угла наклона. По кинограграммам строили зависимости перемещения зонда во времени и, совмещая с осциллограммой напряжения, строили зависимость распределения потенциала по длине дуги, определяли положение зонда в момент ввода в сварочную ванну и место соприкосновения с твердым металлом.
После серии проведенных замеров 5ж в процессе сварки в продольном и поперечном направлении сварочной ванны удается с достаточно высокой точностью определить конфигурацию распределения жидкой прослойки в сварочной ванне без использования целого ряда зондов, согласно методике, приведенной в [1].
Форма сварочной ванны, полученная на основании замеров, близка к реальной форме, полученной после выдувания. Точность измерения толщины 5ж за счет смачивания была сравнительно невысокой (10-20%), имел место разброс значений 5ж, вызванный неравномерной смачиваемостью конца зонда. Для повышения точности измерений использовался сигнал, снимаемый с зонда (датчика) при его погружении в сварочную ванну. При касании зондом сначала поверхности расплавленного металла сварочной ванны и далее твердого металла (дна ванны) изменяется сигнал в цепи датчика, величина которого фиксируется в блоке измерения толщины слоя жидкого металла (5ж). На выходе этого блока фиксируется пропорциональный 5ж в виде напряжения.
Процесс регистрации параметров датчика (длины дуги и толщины 5ж) иллюстрирован осциллограммой напряжения (рис. 4).
и,в
Рис. 4. Изменение напряжения при зондировании сварочной ванны:
¿1 - время прохождения зондом дуги; ¿2 - время погружения зонда в слой жидкого металла; ¿з - время регулирования глубины проплавления
Абсолютное значение длины дуги 1д и толщины слоя жидкого металла 5ж определяли по следующим зависимостям: 1д = и 8ж= У^, где V - скорость погружения, м/с. Проводилась серия замеров по предлагаемой и известной методикам определения 5ж, по результатам которых установлено, что величина отклонений значений по предлагаемой методике составляла не более 5% , а по известной - 20% (табл. 1).
Измерение толщины 5ж производили в зонах, отстоящих от оси щелевого шириной Ьш = 8 + на расстоянии 0,1-0,15 8ж. Зависимость между глубиной проплавления слоя шва кпрс и толщиной жидкой прослойки 5ж показана на рис. 5. Параметры режима изменяли в следующих пределах: сварочный ток /св = 150-600 А, скорость сварки Vсв = 4-15 м/ч, скорость подачи присадочной проволоки Vпп = 4-50 м/ч. Расчетные и экспериментальные данные толщины жидкой прослойки под дугой приведены в табл. 2.
Таблица 1
№ серии опытов Размер толщины 6ж, мм
по известной методике по предлагаемой методике
1 1,15 1,0
2 0,94 1,01
3 0,96 1,02
4 1,1 1,0
5 0,8 0,99
Таблица 2
Эффективная тепловая мощность источника <?э, Вт Площадь проплавления Епр, см Глубина проплавления к Толщина жидкой прослойки 5ж, см
расчетные данные экспериментальные данные
33 0,012 0,092 0,072 0,078
64,5 0,0194 0,19 0,126 0,119
94,5 0,024 0,183 0,152 0,159
Ьпрс,.
мм ^
1 ■ -г
Л * J
а 1 - г -
1 1 / — ■ А
— —
1 .
0.5
1.0
1.5
£
Рис. 5. Зависимость глубины проплавления слоя шва кпрс от толщины жидкой прослойки 5ж
(минимальные 1 и максимальные 2 значения кпрс)
Экспериментально установлена корреляционная зависимость между значениями кпрс и 5ж вида кпрс = 1,2 8ж2 - 6,5 8 ж + 6,9.
Таким образом, применение данной методики позволяет определять не только толщину 5ж, но и с высокой достоверностью фиксировать профиль поверхности сварочной ванны, что, в свою очередь, позволит использовать её при создании устройства для автоматического регулирования глубиной проплавления слоя шва при многослойной сварке в щелевую разделку кромок.
Библиографический список
1. Чернышов, Г.Г. Определение толщины слоя жидкого металла на переднем фронте сварочной ванны / Г.Г. Чернышов, А.М. Рыбачук // Сварочное производство. - 1979. - №10. - С. 9-10.
2. Размышляев, А.Д. Гидродинамические параметры пленки жидкого металла на передней стенке кратера ванны при дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 1982. - №1. - С. 20-25.
3. Ольшанский, Н.А. Перемещение расплавленного металла в процессе электроннолучевой сварки / Н.А. Ольшанский, А.М. Гуткин, Г.Д. Гириманджи // Сварочное производство. -1974. - №9. - С. 12-14.
4. Размышляев, А.Д. О толщине прослойки жидкого металла под дугой при наплавке под флюсом // Автоматическая сварка. - 2003. - №9. - С. 18-21.
5. Суздалев, И.В. Влияние параметров режима сварки на форму и размеры кратера сварочной ванны и толщину жидкой прослойки под дугой / И.В. Суздалев, Б.М. Березовский, В.К. Прохоров // Сварочное производство. - 1988. - №8. - С. 35-36.
6. Чернов, А.В. Определение толщины жидкой прослойки под дугой / А.В. Чернов [и др.] // Известия вузов. - Машиностроение. - 1978. - №9. - С. 131-134.
7. Гулаков, С.В. Влияние переноса тепла потоком жидкого металла на форму сварочной ванны / С.В. Гулаков, Б.И. Носовский // Сварочное производство. - 1982. №11. - С. 2-3.
8. Чернышов, Г.Г. Распределение тока в сварочной ванне / Г.Г. Чернышов [и др.] // Автоматическая сварка. - 1979. - №11. - С. 27-29.
9. Савинов, А.В. Определение профиля свободной поверхности сварочной ванны при дуговой сварке // А.В. Савинов [и др.] // Сварка и диагностика. - 2010. - №1. - С. 24-27.
Дата поступления в редакцию 30.01.2018
A.S. Pavlov
DEVELOPMENT OF METHODS OF OPERATIONAL CONTROL OF THE PENETRATION LAYER OF THE WELD THROUGH THE THICKNESS OF THE LIQUID LAYER WHEN WELDING IN A NARROW GROOVE
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alekseev
Purpose: To produce high-quality layer in weld pool by multilayer welding in slotted hums ensuring a stable penetration depth and desired shape of each later with the optimal thickness of the liquid layer the weld pool. Approach: An experimental studying the process of obtaining quality multilayer connection in clotted hums using the device for determine the depth of penetration.
Findings: The development of a technique for determining the thickness of the liquid layer the weld pool. Carried out processing of experimental results using metallographic studies.
Research implications: Comparative studies have shown that thickness of the liquid layer in weld pool performing by experimental and computational methods are similar.
Adventure: The proposed method for measure thickness of the liquid layer in the weld pool is easier then existing methods. New method realized the high quality of connection
Key words: slit edge preparation, deph of penetration, thickness interlayer liquid metal, automatic welding in shielded gas.
