CC BY
65
УДК 621.791.75
РАЗРАБОТКА СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОДНОСТОРОННЕЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ
ЭЛЕКТРОДОМ
Ю.В. Доронин
НПО «Цниитмаш», Scientific production association
ООО «ЭКСПЕРТЦЕНТР» «Cniitmash»,
Joint Stock Company «Expertcentre»
При односторонней сварке стыковых швов конструкций из сталей плавящимся электродом основной проблемой является качество формирования обратной стороны шва при использовании различного рода формирующих устройств.
Были разработаны составы и конструкции расплавляемых керамических подкладок, обеспечивающих высокое качество обратного валика шва.
Исследованы физико-химические свойства - вязкость и поверхностное натяжение шлаковых систем подкладок, которые показали существенное отличие данных свойств по сравнению со стандартными сварочными флюсами.
Ключевые слова: шлаковая система, формирование шва, обратный валик, подкладка, вязкость, поверхностное натяжение
The main problem of oneside welding construction steel by melt electrodes is quantity outside weld with use backup tape.
Designing chemical compositions and construction of backup tape providing normal form outside welding bead.
Investigate physic-chemical properties slag systems outside tape is viscosity and surface tension, which distinction from usial welding fluxes.
Keywords: slag systems, formation bead, outside bead, backup tape, viscosity, surface tension.
В существующей практике подбора формирующих слоев подкладных устройств, а также составов обмазки электродов, шихты порошковой проволоки и флюсов для формирования корня шва, разработчик преследует вполне конкретные цели, исходя из требований нормативной документации и правил промышленной безопасности. [1,2] Например:
- удержание металла сварочной ванны от протекания;
- формирование усиления с обратной стороны шва;
- формирование обратного валика конкретной формы;
- формирование обратного валика без дефектов, равномерного по высоте, ширине, и плавным углом перехода к основному металлу;
- формирование обратного валика шва без дефектов формирования, внутренних дефектов (пор, раковин, шлаковых включений), наружных дефектов, с удовлетворительной кристаллической структурой, механическими свойствами, гарантирующими надежность конструкции при низких и высоких температурах;
- использование формирующих слоев для управления процессом формирования, микролегирования, металлургического и физико-химического воздействия на металл
корня шва;
- использование формирующих слоев, как элементов тепломассопереноса, теплоотвода с целью предотвращения крупнозернистых, закалочных и хрупких структур в корне шва.
Анализ проведенных исследований показал, что оптимальную форму обратного валика одностороннего шва обеспечивает шлаковый расплав, состоящий из комплекса, участвующих в сварочном процессе, материалов - обмазки, шихты порошковой проволоки, флюса, расплава подкладки. Однако, для оптимизации формы шва, необходимо было разработать универсальную шлаковую систему подкладного устройства, которая бы удовлетворяла всем способам дуговой сварки, обеспечивая необходимые размеры обратного валика шва.
В практике не всегда предоставляется возможность изготовления подкладки с гарантированными свойствами из существующих материалов электродных и флюсовых производств. Поэтому, зная требуемые свойства сварного соединения и необходимые размеры обратного валика шва, можно путем методов математической статистики получить ожидаемый состав формирующего слоя, не проводя значительного количества экспериментов. Предполагается, что оптимальная форма шва может получиться только на базе расплавляемой шлаковой ванны, по образу и подобию наиболее распространенного способа односторонней дуговой сварки - сварки на флюсомедной подкладке.
В составе подкладки, как и в любом сварочном материале, должен быть набор из шлакообразующих, газообразующих компонентов, солей металлов, металлических порошков, ферросплавов и других составляющих сварочных материалов. Анализируя многочисленные составы подкладок по патентным данным зарубежных и отечественных исследователей, мы обнаружили, что почти в 90% составов формирующих слоев используется железный порошок, кремнезем, (БЮ2) глинозем,(Л1203) окиси кальция, магния, бора, натрия, ферросплавы титана, кремния, марганца, плавиковый шпат (СаБ2). Однако, выбор соотношений тех или иных компонентов варьируется от 10 до 90 % и параметр оптимизации - высокое качество формы шва не регламентируется количественными критериями. Каждый из указанных химических соединений положительно влияет на формообразование при односторонней сварке. Окислы магния и кальция повышают вязкость и поверхностное натяжение шлаковых систем. Окислы кремния и титана - типичные шлакообразующие окислы, широко применяемые в электродном и флюсовом производстве, а также при производстве порошковой проволоки. Окись алюминия - тугоплавкий шлакообразующий окисел с температурой плавления более 2000°С. Шпат плавиковый (СаБ2), легкоплавкий шлакообразующий минерал, обладающий хорошими формирующими свойствами. Ферросплавы БеТ1) необходимы для раскисления
сварочной ванны в случае металлургического взаимодействия шлака расплава в корне шва и металла сварочной ванны. Железный порошок способствует улучшению формирования обратной стороны шва, теплоотводу, выделяемого в процессе плавления металла, тепла, улучшает прочностные характеристики металла шва. Критерием оценки на данном этапе была форма обратной стороны шва, а параметром оптимизации -стабильность размеров высоты и ширины обратной стороны шва. На первом этапе, с целью выявления наиболее значимых компонентов, определяющих качество обратного валика шва, был применен метод случайного баланса. В этом случае из ряда компонентов можно выбрать материалы, которые могут служить основой для создания химической формулы формирующего расплава. Выходным параметром является качество обратного валика. Качество обратного валика можно оценивать методами
качественной и количественной оценки. Метод случайного баланса - это метод качественной оценки. По этой методике выбирается ряд экспертов, которые независимо друг от друга выставляют оценки по 5-бальной шкале, визуально оценивая форму шва. Эксперты качественно оценивают равномерность высоты и ширины обратной стороны шва, плавность перехода к основному металлу, отделимость шлаковой корки, чистоту поверхности шва, наличие или отсутствие подрезов.
По методикам количественной оценки качество обратной стороны шва оценивается количественно. Выполняются замеры ширины и высоты обратной стороны шва, рассчитывается отклонение от средней величины, осуществляется замер угла перехода от выпуклости валика к основному металлу, глубина подреза, наличие наружных пор или каналов (шевронная пористость).
Эксперименты показали хорошую сходимость оценок параметра оптимизации со значением оценок в мысленных опытах. Планирование эксперимента по методам случайного баланса и Бокса-Уилсона позволило определить оптимальный, с точки зрения формирования обратного валика шва, состав шихты для изготовления формирующих устройств, используемых при односторонней сварке сталей.
Таким образом, оптимальный состав шихты выглядит следующим образом (весовые проценты):
- ^2 (рутил) - 40 %,
- SiO2 (кремнезем) - 18,5 %,
- CaF2 (плавиковый шпат) - 25 %,
- FeSi - 15%,
- Al2Oз -1,5 % ,
Для создания формирующего устройства необходимой формы и жесткости или гибкости шихту необходимо превратить в керамическую плитку или гибкую полосу (для криволинейных стыковых соединений). На первом этапе керамическая плитка представляется наиболее приемлемой. Расплавляемая форма подкладки должна быть с гладкой и ровной поверхностью достаточной прочности, жесткости и влагостойкости. В качестве необходимого связующего использовались калий - натриевое и натрий -калиевое жидкое стекло, алюмофосфатные и магнийфосфатные связки, связки на основеоксинитратов и оксихлоридов алюминия и циркония, связки на основе гетерополисоединений, неорганических смол.
Органические связующие - фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные смолы, бакелитовые лаки, ацетатные и поливинилацетатные смолы разделяются на две основные подгруппы: термопластичные и термореактивные смолы. Основное преимущество неорганических связующих веществ в их хороших гигиенических свойствах, при разложении под действием температуры они не выделяют, вредных для окружающей среды, газообразных продуктов. Однако, существенным недостатком неорганических связок является вспучивание и деформация поверхностей под действием температуры, в частности, при использовании жидкостекольных смесей, наиболее распространенных при изготовлении сварочных электродов. Недостатком жидкостекольных смесей является их низкая живучесть, что особенно сказывается при изготовлении подкладных устройств, где по технологии после опрессовки подкладка вынимается из штампа для дальнейшей термообработки (просушки и прокалки). После прокалки подкладка деформируется. При длине 400мм, стрела прогиба составляет 5мм, что крайне неблагоприятно влияет на плотность поджатия подкладки к обратной стороне шва.
Органические связующие материалы лишены недостатков присущим неорганическим связкам. Они обладают хорошими связующими свойствами, смеси с их
использованием технологичны в изготовлении, обладают высокой живучестью, пластичностью и прочностью в вязком состоянии. Наилучшими показателями этой группы обладают водные, 10, 20, 30 % растворы поливинилового спирта (ПВС), которые по своим гигиеническим свойствам обладают существенным преимуществом перед другими органическими связующими.
При сварке плавящимся электродом качество формы обратной стороны шва одностороннего сварного соединения определяется важнейшими процессами, протекающими в тот момент, когда металл сварочной ванны и шлак расплавляемой формирующей изложницы взаимодействуют друг с другом. Чтобы иметь достаточно точные представления о сущности этих процессов и уметь воздействовать на них, необходимо располагать данными о физических, химических и физико-химических свойствах взаимодействующих фаз.
Исследования поверхностных свойств шлаков сводится в физической химии к экспериментальному и расчетному определению поверхностного и межфазного натяжения, смачиванию взаимодействующих поверхностей, определению адгезионных и когезионных свойств металлических и шлаковых расплавов. Из всех методик наименьшую погрешность окончательного результата дают методика графического измерения лежащей капли Попеля С.И. и методика максимального давления в газовом пузырьке.
Установка для измерения поверхностного натяжения шлаковых систем методом максимального давления в газовом пузырьке состоит из высокотемпературной печи Таммана и измерительной части (рис. 1). Нагреватель печи выполнен из электродного графита цилиндрической формы (2). В качестве рабочих тиглей использовались тигли из графита (3). Выбор графита обусловлен большой химической активностью шлаков по отношению к алунду, молибдену и платине, что приводит к разрушению тигля, а также необходимостью стабильного поддержания температуры в зоне нагрева.
1 - кожух печи;
2 - нагреватель (графит);
3 - тигель (графит);
4 - капилляр (Рт=Rо);
5 - термопара;
6 - свод печи;
7 - сосуд со льдом;
8 - ампервольтметр Ф-30 для Тер. ЭДС;
9 - тиристорный регулятор ТоК;
10 - часовой индикатор И410;
12 - игольчатый редуктор для регулировки скорости подачи воздуха.
Рисунок 1 - Методика измерения поверхностного натяжения методом максимального давления в газовом пузырьке в печи Таммана
1 - расплав №1;
2 - расплав №2;
3 - расплав флюса АН-28;
4 - расплав флюса АН-18;
5 - расплав флюса АНФ-14;
6 - расплав флюса АН-60;
7 - расплав №2;
8 - расплав 81-1;
9 - расплав 81-2;
10 - расплав №1 (метод
давления в газовом пузырьке);
11 - расплав 81-1(метод
давления в газовом пузырьке);
12 - расплав 81-2 (метод
давления в газовом пузырьке);
13 - флюс АН-348А;
14 - флюс ОСЦ-45.
Рисунок 2 - Поверхностное натяжение экспериментальных шлаковых расплавов и
сварочных флюсов
Аналогично поверхностным свойствам, вязкость шлакового расплава, как было показано ранее, оказывает не менее важное влияние на форму обратного валикапри односторонней сварке и возникновение дефектов корня шва.
Расчетное определение вязкости пограничного слоя показало, что для предотвращения захвата шлаковых частиц движущимся пограничным слоем металла сварочной ванны и стабилизации формы обратного валика по высоте, необходимо иметь вязкость пограничного слоя шлакового расплава в диапазоне 2...5 Пас. При использовании в качестве формирующих обратную сторону шва флюсов стандартных шлаковых систем, их вязкость на границе металл-шлак при температуре взаимодействия 1500.1650 °С составляет в большинстве случаев 0,1.0,4 Пас. [1] Аналогичные сведения характерны и в исследованиях Якобашвили С.Б., Подгаецкого В.В. Таким образом, становится ясно, что, используемые в качестве формирующих обратную сторону шва при односторонней сварке, сварочные флюсы АН-348А, ОСЦ-45М, АН-60, по одной из важнейших физических характеристик в расплавленном состоянии, не обеспечивают в пограничном слое необходимых условий для устранения и предотвращения дефектов формы шва.
Для подтверждения модельных представлений о причинах возникновения дефектов и путях их устранения были проведены исследования динамической вязкости экспериментальных шлаковых систем и шлаковых расплавов системы 81(США). Эксперименты проводились в Государственном институте стекла (ГИСе), на ротационном вискозиметре, в динамическом температурном режиме (1500.. ,1760°С). Измерения проводились в корундовом тигле, с помощью молибденового стержня-датчика, в печи с графитовым нагревателем в среде азота (рис. 3). Ошибка измерения составляла не более ±0,008
1 - внутренний вращающийся
цилиндр;
2 - внешний неподвижный
цилиндр;
3 - ось вращающейся
системы;
4 - термостат;
5 - мешалка термостата;
6 - термопары;
7 - шкив;
8 - тормоз;
9 - нить;
10 - блок;
11 - груз, вращающийся шкив.
Рисунок 3 - Ротационный вискозиметр РВ-7 (с заданным крутящимся моментом)
Скорость вращения шкива определяют по скорости опускания груза.
Расплав выдерживался при температуре 1500°С не менее 120 мин. для расплавления всей массы тугоплавких компонентов. Измерения показали, что за исключением легкоплавкой шлаковой системы № 3 (Бе203- ТЮ2-8Ю2), вязкость которой при температуре 1200° С составила 0,7 Пас, а при 1300°С - менее 0,1 Пас, вязкость системы № 1 (8Ю2 - ТЮ2 - А1203 - СаБ2), системы 81-1, 8.Г-2 в диапазоне температур 1400...1600°С не опускалась ниже 4 Пас. Более того, вязкость 4...5 Пас при температуре 1450°С принадлежит шлаку 81-2, материалу, используемому для формирования шва при односторонней сварке высоколегированных сталей. Система 81-1 и система № 1 имеют вязкость не менее 2 Пас в этом же диапазоне температур. Сравнительные данные измерения вязкости шлаковых систем известных сварочных флюсов и шлаков, полученных экспериментальным путем, показаны на рисунке 4.
Л.Пас
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
1 - расплав №1 (8Ю2-ТЮ2-
А12О3);
2 - расплав флюса АН-28;
3 - расплав флюса АН-18;
4 - расплав флюса АНФ-14;
5 - расплав флюса АН-60;
6 - расплав шлака № 3 (8Ю2-
ТЮ2-]^0);
7 - расплав шлака 81-1;
8 - расплав шлака 81-2;
9 - расплав флюса 348А;
10 - расплав флюса ОСЦ- 45 .
Рисунок 4 - Вязкость шлаковых расплавов формирующих подкладных устройств и
сварочных флюсов
Таким образом, расчетным путем определен и экспериментально подтвержден вывод о том, что существенный рост вязкости пограничного слоя шлакового расплава по длине сварочной ванны, находящегося в расплавленном состоянии не менее чем до двух Па с, служит мерой предотвращения захвата слоя шлака перемещающимся из головной в хвостовую часть ванны металлом и мерой регулирования высоты обратного валика шва. Шлак должен в период взаимодействия с металлом сварочной ванны находится в состоянии присущем дилатантным жидкостям, которое еще позволит двигаться под действием касательных напряжений «т» в хвостовую часть сварочной ванны на весьма короткий участок, и он будет тем короче, чем выше вязкость шлака. При вязкости, достигающей 15 Пас и более, скорость шлака стремится к нулю и шлак не двигается, а лишь деформируется по толщине внедряемым более плотным жидким металлом.
Литература
1. Доронин Ю.В., Ханапетов М.В. Односторонняя сварка в строительстве. М, 1990 150с
2. Веселков В.Д. Односторонняя сварка стыковых соединений стальных корпусных конструкций. Л, 1984 238с
Доронин Юрий Викторович - директор ООО «Экспертцентр», д.т.н., Москва. E-mail: bekkenbauer@ yandex.ru
Doronin Jurii V. - Joint Stock Company «Expertcentre», Doctor of Technical Science, Moscou. E-mail: bekkenbauer@ yandex.ru
