Сварка с импульсной подачей электродной проволоки кольцевых соединений из стали 30ХГСА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.75.037

СВАРКА С ИМПУЛЬСНОЙ ПОДАЧЕЙ ЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОВОЛОКИ КОЛЬЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СТАЛИ 30ХГСА

Д.А. Чинахов, О.Г. Брунов

Юргинский технологический институт Томского политехнического университета E-mail: [email protected]

Рассматривается проблема сварки среднелегированных мартенситно-бейнитных сталей в щелевую разделку. Описаны результаты исследований, выполненные на стали 30ХГСА сваркой с импульсной подачей электродной проволоки. Установлено, что данный способ сварки обеспечивает надежное качество формирования шва и работоспособность сварных соединений с щелевой разделкой.

Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали обладают высоким комплексом эксплуатационных свойств и используются для производства ответственных сварных конструкций [1, 2]. Они обеспечивают высокую прочность конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Однако, при сварке стали данного класса склонны к закалке и образованию холодных трещин. Под воздействием термического цикла сварки в зоне термического влияния (ЗТВ) формируются закалочные структуры, как правило, характеризующиеся большим значением твердости и малой вязкостью. Поэтому на ЗТВ приходится наибольший процент образования холодных трещин [3]. Необходимо также учитывать, что среднелегированные мартенситно-бейнитные стали (30ХГСА, 25ХГСА, 12Х2НЧА и др.) чувствительны к концентраторам напряжений, особенно после обычной закалки и отпуска, и охрупчиванию в результате насыщения водородом [2], что при высоких внутренних напряжениях или циклической нагрузке может служить причиной зарождения трещин и привести к разрушению сварной конструкции. Для получения качественного сварного соединения необходимо не только правильно выбрать сварочные материалы, разделку кромок, способ сварки и другие параметры, обеспечивающие нормальный процесс сварки, но и правильно оценить необходимость применения предварительной и последующей термообработки в сочетании с выбранной технологией и способом сварки. При этом нельзя забывать и об экономической стороне вопроса. Разрабатываемые технологии и способы сварки должны обеспечивать получение качественных соединений с более высокими эксплуатационными свойствами или не ниже тех, которые получают по уже существующим технологиям и способам, но с наименьшими затратами.

В Юргинском технологическом институте Томского политехнического университета разработан механизм с импульсной подачей электродной проволоки. Для оценки эксплуатационной надежности сварных соединений из стали 30ХГСА провели экспериментальные исследования с применением следующих способов сварки:

1) традиционный способ - сварка стационарной дугой с предварительным подогревом до температуры 350 °С и последующей термической обработкой при температуре 600 °С;

2) сварка с импульсной подачей электродной проволоки.

Во всех случаях производили механизированную многопроходную сварку поворотного стыка трубы диаметром 90 мм с толщиной стенки 20 мм в среде СО2 в щелевую разделку сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм.

Режимы сварки образцов по традиционному способу определили на основе анализа зависимости механических характеристик многослойных сварных соединений стали 30ХГСА от параметров термического цикла сварки (Тпод, 4, Тш) [4]. Перед сваркой осуществляли подогрев деталей до температуры 350 °С. Для сварки образцов выбрали режим 4=180...185 А, Ц,=26...27 В, К„=14...15 м/ч. После сварки изделия подвергались термообработке при Тш=600 °С. После термообработки сварные образцы остывали на воздухе до комнатной температуры. Полученные образцы подвергли механическим испытаниям (таблица) и провели микроанализ структуры сварного соединения (рис. 1).

Таблица. Результаты механических испытаний сварных образцов из стали 30ХГСА

Способ сварки Временное сопротивление разрыву, МПа Ударная вязкость, Дж/см2 при 20 °С Твердость

Шва, НВ ЗТВ, HRC

1. Традиционный 540.640 590 138.150 144 163.171 167 22.23 22,5

2. С импульсной подачей электродной проволоки 650.670 660 131.138 135 163.173 168 29.30 29,5

Сварка образцов с импульсной подачей электродной проволоки осуществлялась на режиме

4=175...180 А, Ц=26...27 В, К„=10...11 м/ч с частотой подачи электродной проволоки 50 Гц (1 импульс - 1 капля) [5] без подогрева и последующей термообработки. Полученные образцы подвергли механическим испытаниям (табл.) и провели анализ микроструктуры сварного соединения (рис. 2).

Из таблицы видно, что механические свойства сварных соединений, полученных по двум способам, незначительно отличаются друг от друга. При этом значения механических свойств образцов, выполненных вторым способом, находятся в более

Рис. 1. Микроструктура сварного соединения из стали 30ХГСА, выполненного по традиционной технологии: а) шов; б) зона сплавления; в) участок перегрева; г) участок нормализации; д) основной металл

Рис. 2. Микроструктура соединения из стали 30ХГСА, выполненного сваркой с импульсной подачей электродной проволоки: а) шов; б) зона сплавления; в) участок перегрева; г) участок нормализации; д) основной металл

узком диапазоне, что говорит о бульшей стабильности процесса сварки. Сварка с импульсной подачей электродной проволоки обеспечивает более мелкую структуру шва и ЗТВ сварного соединения (рис. 2) за счет управления переносом электродного металла, при этом с увеличением вылета электрода (сварка в узкий зазор) стабильность управления переносом электродного металла практически не изменяется. Мелкодисперсная структура сварного соединения обеспечивает более высокую работоспособность сварной конструкции в целом, особенно это заметно при работе изделия под знакопеременными нагрузками. Стоит заметить, что сварные соединения, выполненные по второму способу, не подвергались термообработке. Устранение подогрева и послесварочной термообработки из технологического процесса сварки многослойных соединений сталей типа 30ХГСА позволило сэкономить до 3...4 м3/ч горючего газа (ацетилен, природный газ) и до 3.4,5 м3/ч кислорода, необходимых при выполнении термообработки сваривае-

мых изделий. Одновременно уменьшается длительность технологического процесса изготовления единицы изделия (гидроцилиндра) и увеличивается производительность труда на 15.20 %.

По результатам испытаний установлено, что работоспособность сварных соединений, выполненных вторым способом, не уступает, а в некоторых случаях превышает работоспособность соединений, выполненных первым способом. При этом сварка с импульсной подачей электродной проволоки имеет ряд неоспоримых преимуществ: увеличение производительности процесса производства; увеличение стабильности процесса сварки, а значит и улучшение качества сварного изделия; снижение себестоимости сварного изделия за счет отсутствия затрат на подогрев и послесварочную термообработку и снижение трудовых затрат. Это позволяет рекомендовать сварку с импульсной подачей электродной проволоки для сварки среднелегированных мартенситно-бейнитных сталей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т 1. Свариваемость материалов. Справ. изд. / Под ред. Э.Л. Макарова. - М.: Металлургия, 1991. - 528 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

3. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Сварка в щелевую разделку стали 30ХГСА без подогрева // Сварочное производство. - 2002. -№ 7. - С. 18-20.

4. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Регрессионные модели механических свойств многослойных сварных соединений стали 30ХГСА // Сварочное производство. - 2002. - № 5. - С. 3-5.

5. Федько В.Т., Брунов О.Г. Управление процессом сварки при импульсной подаче электродной проволоки // Технология металлов. - 2000. - № 8. - С. 27-30.

УДК 536.24:692.2:691.11:519.711.3

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ДВУМЕРНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В НЕОДНОРОДНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЯХ

А.Я. Кузин, А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, С.В. Хон, Т.А. Мирошниченко

Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: [email protected]

С помощью математического моделирования исследовано тепловое состояние фрагментов неоднородных наружных деревянных ограждений в форме утепленных бруса и бревна. Проведен сравнительный анализ их теплозащитной эффективности. Разработанная численная технология позволяет проводить тепловую экспресс-диагностику наружных утепленных деревянных стен с различными теплофизическими и геометрическими характеристиками древесины и утеплителя в реальных условиях эксплуатации.

Широкое использование древесины в домостроении в качестве наружных ограждений требует детального изучения теплозащитных свойств ее фрагментов в виде бруса и бревна. Особенно актуальна эта проблема для холодных климатических зон ввиду повышенных требований к теплотехническим характеристикам ограждений [1]. Одним из путей улучшения теплотехнических характеристик деревянных фрагментов служит заполнение их осевых отверстий эффективным утеплителем [2]. Знание механизма теплопереноса в таких неоднородных системах позволит целенаправленно влиять на улучшение их теплозащитных свойств. Оптимальным способом верификации новых способов утепления на конкретных конструкциях при минимальных материально-технических и временных затратах является математическое моделирование. Для повышения адекватности математических моделей ее параметры должны определяться из решения обратных задач с привлечением данных лабораторных либо натурных экспериментов.

Целью настоящей работы является математическое моделирование процессов нестационарного те-плопереноса в неоднородных фрагментах деревянных наружных ограждений в виде утепленных бруса и бревна, параметрическое исследование теплозащитных свойств указанных фрагментов в зависимости от теплофизических и геометрических характеристик утеплителя и их сравнительный анализ.

Физико-математическая постановка задач. Исследуется теплоперенос через плоские неоднородные системы, состоящие из деревянных утеплен-

ных бруса и бревна, осевые отверстия которых заполнены утеплителем (рис. 1). Форма бруса и утеплителя - прямые параллелепипеды, поперечные сечения которых квадраты со сторонами a1 и a2. Бревно и утеплитель представляют собой прямые соосные цилиндры с радиусами R1 и R2. В нижней части бревна имеется технологический вырез, обусловленный условиями сборки бревенчатой стены. Вследствие этого выреза радиальная координата границы rY является переменной величиной, зависящей от угла ф. Угол ф, длина гмф) радиус-вектора ОМ произвольной точки М на линии AD с углом фе[-ф,ф] и площадь поперечного сечения бревна

S определяются из геометрических соображений на основании известных R1, ROOi и ф по формулам:

= arcsin ^1R -(R0O]/2)2/R,,

гм (ф)=4 xM + yM >S=12(п - 2<ф +sin 2ф x

где ROOi - расстояние между центрами соседних бревен, м; ф - половинный угол адиабатной границы, рад; хМ, уМ - декартовые координаты точки М, определяемые по формуле:

хм = -Ум tgy,___________

-R00 +JROo,- (1 + tgV)(R2o, - Ri2)

Ум =-----1---------VW~2--------------•

1+tg ф

Тепловая нагрузка на границах бруса и бревна является переменной из-за наличия адиабатных участков на стыках соседних брусьев и бревен и открытых участков, граничащих с внутренним и наружным воздухом.