CC BY
35
УДК 621.791.754
ВЛИЯНИЕ КОМПОЗИТНОГО АКТИВИРУЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ НА ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ШВА
B.А. ЛЕНИВКИН
(Донской государственный технический университет),
Д.В. КИСЕЛЕВ
(Научно-производственное предприятие «Северо-Кавказский учебно-научный центр»)
C.Г. ПАРШИН
(Северо-Западный институт сварки и наноматериалов, г. Санкт-Петербург)
Исследовано влияние композитного активирующего покрытия на основе солей галогенидной группы на геометрические размеры шва при сварке в защитных газах током обратной полярности. Установлена зависимость глубины проплавления от покрытия электродной проволоки.
Ключевые слова: сварка, защитные газы, плавящийся электрод, активирующее покрытие, размеры шва.
Введение. Прогресс сварочного производства в области дуговой сварки достигается на основе создания новых способов сварки, разработки сварочных материалов, позволяющих управлять технологическими параметрами процесса сварки. Одним из путей повышения производительности дуговой сварки и качества сварных соединений является применение активирующих флюсов и электродных покрытий за счет изменения технологических и физических свойств дуги [1, 2].
Известно применение активирующих веществ на основе щелочных и щелочноземельных солей при сварке плавящимся электродом током прямой полярности для получения пространственно устойчивых дуг путем воздействия на катодные процессы [3]. При сварке неплавящимся электродом для повышения проплавляющей способности дуги используются флюсы на основе солей галогенидов [4, 5]. Покрытия на основе солей галогенидов представляют значительный интерес для исследования технологических свойств дуги при сварке плавящимся электродом в защитных газах током обратной полярности.
Исследование влияния композитного активирующего покрытия на основе солей щелочных металлов галогенидной группы на геометрические размеры шва при сварке в защитных газах током обратной полярности. Исследования проводили при наплавке валиков на пластины из стали 20 проволокой Св 08Г2С диаметром 1,2 мм без активирующего и с активирующим покрытиями на геометрические параметры валиков на токе обратной полярности при различных скоростях их подачи, напряжении на дуге и с постоянной скоростью сварки.
Активирующее покрытие - матрица медь с наполнителем NaF, CaF2 и матрица медь с дисперсной фазовой смесью NaCI + MgCI2 - наносилось электрохимическим способом. Толщина покрытия 20-25 мкм.
Электрические параметры процесса сварки (ток и напряжение) регистрировались с помощью компьютерного комплекса и программы Diadem 10.1. Поведение дуги и ее внешний вид (форма дуги), образование капли на электроде и перенос металла в дуге фиксировались скоростной видеокамерой PCI 8000S Motion Scope с объективом Lens-18108 со скоростью съемки 2000 кадров в секунду.
Известно, что глубина проплавления определяется в основном величиной тока из расчета приблизительно 100 А/мм толщины свариваемых элементов. Поэтому для выявления характера формирования валика при автоматической сварке был выбран интервал изменения скоростей подачи электродной проволоки Vn от 240 до 960 м/ч.
а) 6)
Рис.1. Поперечное сечение шва: а- при сварке в аргоне; б- при сварке в углекислом газе: е - ширина шва; а - глубина проплавления; д - усиление выпуклости
Питание дуги производилось от сварочного выпрямителя с регулируемой крутизной статических вольтамперных характеристик кпс. Расстояние от торца токоподводящего наконечника до наплавляемого элемента составляло 20 мм. Размеры и форма шва определялись по их увеличенным макрошлифам поперечного сечения (рис. 1).
Результаты исследования. Результаты обработки приведены на рис.2-6. Параметры режимов сварки проволокой Св 08Г2С с различными покрытиями в аргоне приведены в табл. 1, а в С02 -в табл.2.
6 8 10 12 V, м/мин
Рис.2. Изменение ширины шва от скорости подачи проволоки при сварке в аргоне без активирующего покрытия для различных напряжений (напряжение холостого хода: 1 - 45 В; 2 - 50 В; 3 - 55 В)
Рис.З. Изменение глубины провара шва от скорости подачи проволоки при сварке в аргоне без активирующего покрытия для различных напряжений (напряжение холостого хода:
1 - 35 В; 2 - 40 В; 3 - 45 В; 4 - 50 В; 5 - 55 В)
а)
б)
Рис.4. Изменение ширины валика (а) и глубины провара (б) от скорости подачи проволоки при сварке в аргоне с композитным активирующим покрытием Си - для различных напряжений (напряжение холостого хода: 1 - 35 В; 2 - 40 В; 3 - 45 В; 4 - 50 В; 5 - 55 В)
Рис.5. Изменение ширины валика от скорости подачи Рис.6. Изменение глубины провара от скорости подачи
проволоки при сварке в аргоне с композитным проволоки при сварке в аргоне с композитным
активирующим покрытием Си - МдС1 - №С1 активирующим покрытием Си - МдС1 - №С1
для различных напряжений (напряжение холостого хода: для различных напряжений (напряжение холостого хода:
1 - 45 В; 2 - 50 В; 3 - 55 В) 1 - 35 В; 2 - 40 В; 3 - 45 В; 4 - 50 В; 5 - 55 В)
Таблица 1
Параметры режима наплавки валиков в аргоне при различном состоянии поверхности электродной проволоки
Напряжение холостого хода, В Скорость подачи проволоки, м/мин Состояние поверхности электродной проволоки
Без покрытия Композиционное активирующее покрытие
Ток дуги, А Напряжение дуги, В Си - №Р2 Си - МдС12 - №С1
Ток дуги, А Напряжение дуги, В Ток дуги, А Напряжение дуги, В
30 5 130-140 16 155 17,0 150 17
6 155 16,8-17 180 5 175 16
8 200 19,5 - - - -
35 6 175 20 190-195 20-19,7 180 20
8 210 19,8 240 19,0 210 19,5-20,0
10 220-225 19 250 18,5-18,1 255 18,5
12 235 18,5-18,7 300 18,0 - -
40 5 210 27,5 - - 225 25
6 220 27 - - 240 25
7 230 27 - - 270 24
8 240 22,3 240 23 - -
10 255 21,8 260 21,5 - -
12 265-270 21,7 250 22-22,5 - -
14 275 21,25 340 20,0 - -
16 292 21,1 330 21-22 - -
Из рис.2 и рис.З видно, что при сварке в аргоне проволокой без активирующего покрытия ширина шва и глубина проплавления с увеличением скорости подачи электрода (тока) и напряжения холостого хода источника питания возрастают.
При сварке проволоками с композитным активирующим покрытием на основе галоге-нидных соединении щелочных и щелочноземельных металлов в аргоне, ширина шва с ростом тока Уп, при неизменной настройке вольтамперной характеристики источника питания снижается (см. рис.4, а и рис.5), а глубина проплавления увеличивается (см. рис.4, б и рис.6). Изменения параметров шва зависят от состава активирующего покрытия. При сварке в аргоне с активирующим покрытием ширина шва уменьшается от 30 до 20% с увеличением Уп (тока) по сравнению с проволокой без покрытия, а глубина проплавления возрастает от 50 до 20%.
Таблица 2
Параметры режима наплавки валиков в С02 при различном состоянии поверхности электродной проволоки
Напряжение холостого хода, В Скорость подачи проволоки, м/мин Состояние поверхности электродной проволоки
Без покрытия Композиционное активирующее покрытие
Ток дуги, А Напряжение дуги, В Си - СаР2 Си - МдС12 - №С1
Ток дуги, А Напряжение дуги, В Ток дуги, А Напряжение дуги, В
35 6 200 33-34 - - 260-270 28-30-
8 250 28-29 290 28-29 - -
10 280-290 29 340-360 27- 26 270-280 28-
40 6 210 36-37 - - 270-280 32
7 250 35 - - 300-310 33
8 260-270 34 - - 330-340 31-32
9 280-290 33 - - 350-360 31-32
10 290-300 32 340-360 33-32 350 31
12 330-340 31 380-400 30-31 - -
45 6 200 32 135 35 230 30
7 210 32 - - 250 30
8 240 31 - - 380 29
12 340-350 36 400 36 - -
16 360-370 35 400-430 36 - -
При сварке в С02 неактивированной проволокой ширина шва уменьшается с увеличением скорости подачи электрода (тока) при неизменной настройке источника питания дуги, а глубина проплавления возрастает (см. табл.2).
Глубина проплавления при сварке в С02 проволоками с композитным активирующим покрытием из фторидных солей щелочных металлов увеличивается на 12-30%, а хлоридных солей щелочных металлов - на 10-23% по сравнению со сваркой в тех же условиях неактивированной проволокой. Ширина шва практически остается неизменной.
Из рис.З, рис.4, б и табл.З следует, что глубина провара а связана с величиной тока практически линейной зависимостью
^ кПр Л);
где кпр - коэффициент проплавления, который показывает, как изменяется глубина проплавления при изменении тока на один ампер, мм/А; 1д - величина тока, А.
Таблица 3
Изменение геометрических размеров валика при различных напряжениях и скоростях подачи электродной проволоки
Напряжение холостого хода, В Скорость подачи электрода, м/ч Состояние поверхности электродной проволоки
Без покрытия Композиционное активирующее покрытие
Глубина проплавления, мм Ширина валика, мм Си - СаР2 Си - МдС12 - №С1
Глубина проплавления, мм Ширина валика, мм Глубина проплавления, мм Ширина валика, мм
35 6 1,15 3,0 1,8 3,3 1,3 3,7
8 1,5 4,1 2,0 4,0 2,1 3,6
40 6 1,3 5,0 2,0 4,8 1,75 5,5
7 1,7 4,5 2,1 4,5 1,81 5,0
8 - - 2,2 4,2 1,91 4,6
9 - - 2,4 4,0 2,0 4,4
45 6 1,8 6,0 2,0 6,0 20 6,0
7 1,9 5,3 2,3 5,3 2,15 5,5
8 2,05 5,0 2,7 4,9 2,35 5,1
50 7 2,1 7,0 2,5 6,9 2,35 7,0
8 2,2 6,5 2,9 6,8 2,6 6,5
10 2,8 5,8 3,5 6,3 3,0 5,8
12 3,3 5,3 4,5 5,5 4,0 5,0
Величина коэффициента проплавления зависит от состава активирующего покрытия и защитного газа, а также от рода, полярности и величины тока, диаметра электрода и его состава, скорости сварки, формы дуги, ее пространственной устойчивости и определяется, как правило, опытным путем [4, 5].
На практике глубину проплавления изменяют за счет изменения величины тока. Такое влияние тока на глубину провара обусловлено изменением давления столба дуги на поверхность сварочной ванны и увеличением или уменьшением погонной энергии сварки. На ширину шва величина тока оказывает незначительное влияние, которое при решении практических вопросов не учитывают.
Для выяснения причин изменения геометрических размеров наплавляемых валиков активированным электродом была проведена скоростная видеосъемка процесса. Это позволило выявить особенности горения дуги, плавления электрода и характера переноса электродного металла в сварочную ванну при одинаковых энергетических параметрах режима сварки (скорости подачи электрода, наклона вольтамперной характеристики источника питания, состава и расхода защитной среды) (рис.7, 8).
На рис. 8 приведены кадры процесса сварки электродной проволокой без активирующего покрытия. Дуга пространственно устойчивая со смешенным переносом электродного металла. Струйный перенос металла - мелкие капли (см. рис.7, кадры 192-202) чередуются с капельным переносом (см. рис.7, кадры 341-396). При струйном переносе металла столб дуги сосредоточен (сжат) и плотность тока в столбе возрастает. Это способствует увеличению давления дуги на ванну жидкого металла и увеличению глубины проплавления. При капельном переносе столб дуги рассредоточен, давление дуги снижается.
165 188 192 202
341 363 396 700
Рис. 7. Видеокадры переноса электродного металла при сварке в Аг:
У„ - 300 м/ч; к„с - 0,01 В/А
Характер изменения электрических параметров режима сварки и переноса металла при сварке проволокой с композиционным активирующим покрытием (наполнитель СаР2) показан на рис.8.
а)
262 263 264 266 268
б)
Рис.8. Осциллограммы тока и напряжения (э) и видеокадры (б) при сварке в аргоне проволокой Св-08Г2С с покрытием наполнитель СаР2: полярность тока обратная; У„ - 300 м/ч; 1ср - 155 А
При просмотре видеограмм процесса сварки в режиме видео со скоростью от 100 кадров в секунду и больше, наблюдается, что при сварке активированным электродом основание столба дуги совершает перемещения по поверхности сварочной ванны с небольшой амплитудой, а при сварке без активатора такое движение не наблюдается. Установлено, что причиной таких колебаний является периодическое появление небольших ярко светящихся пятен на поверхности металла сварочной ванны, которые образуются при переходе капель в сварочную ванну.
Появление ярко светящихся пятен на катоде вызвано попаданием щелочных металлов из активирующего покрытия, которые переносятся каплями электродного металла в сварочную ванну [6]. Щелочной металл попадает в сварочную ванну благодаря возможности образования хемосорбированного слоя на поверхности переносимых капель.
При появлении ярко светящегося пятна на катоде на осциллограмме напряжения (см. рис.8, а) наблюдается скачкообразное снижение высокочастотной составляющей напряжения на 0,2-0,3 В за счет снижения катодного падения напряжения [6]. Колебание напряжения дуги от средней величины не превышает +0,2-0,4 В, тока - +5 А, что значительно меньше, чем при сварке электродом без активирующего покрытия.
С повышением V,, при одинаковых условиях настройки питающей системы внешняя составляющая длины дуги и диаметр ее столба уменьшаются (см. рис.8). Это связано с попаданием в столб дуги большего количества фтора в единицу времени, который способствует росту градиента потенциала столба дуги и деионизации плазмы ее периферийной зоны с одновременным увеличением температуры в столбе дуги, а также снижению поверхностного натяжения металла электрода. Внешняя составляющая длины дуги при жесткой ВАХ питающей системы уменьшается. Вытягивание струйки жидкого металла с электрода с интенсивным перемещением катодного пятна по поверхности ванны приводит к появлению струйно-вращательного переноса металла. Изменяется условие теплопередачи и силового воздействия на сварочную ванну и,
соответственно, форма проплавления шва. Пальцеобразная форма проплавления (см. рис.1, а) принимает форму, подобную при сварке в активных защитных газах (см. рис.1, б).
Для обеспечения высокой технологической и эксплуатационной прочности сварных соединений необходимо выбирать параметры режима сварки, которые позволяют получать швы необходимой формы. Форма шва характеризуется коэффициентом \|/. Коэффициент формы шва
- отношение ширины шва к глубине его проплавления. Для автоматической и механизированной сварки ф должен составлять 0,8-4,0. При меньших величинах \|/ получают швы, склонные к образованию горячих трещин, большие величины \|/ приводят к увеличенным деформациям сварной конструкции.
Коэффициент формы проплавления при наплавке валиков без активирующего покрытия в аргоне и С02 с увеличением напряжения на дуге изменяется от 4,5 до 1,0. При применении композиционного электродного покрытия с наполнителем при неизменных условиях наплавки коэффициент формы проплавления изменяется от 3,1 до 0,73. В случае применения композитного покрытия с наполнителем МдС12-МаС1 коэффициент формы проплавления изменяется от 3,8 до 0,3.
Необходимо отметить, что при сварке проволоками с композиционным покрытием из хлоридных солей щелочных металлов при больших величинах тока наблюдается погружение дуги в сварочную ванну. Это ухудшает форму шва. Одновременно наблюдается большое разбрызгивание, связанное с раздуванием капель, вызванным выделением паров и газообразных веществ, с последующим их взрывом. Таким образом, применение композитных активирующих покрытий на основе галогенидных соединении щелочных и щелочноземельных металлов позволяет управлять геометрическими размерами и формой шва при сварке плавящимся электродом в защитных газах и их смесях.
Выводы. 1. При сварке плавящимся электродом в аргоне проволоками с композитным активирующим покрытием на основе галогенидных соединении щелочных и щелочноземельных металлов ширина шва с ростом тока при неизменной настройке вольтамперной характеристики источника питания снижается на 20-30%, а глубина проплавления увеличивается от 50 до 20%.
2. При сварке проволоками с композитным активирующим покрытием на основе галогенидных соединении щелочных и щелочноземельных металлов в С02, ширина шва с ростом тока при неизменной настройке вольтамперной характеристики источника питания снижается, а глубина проплавления возрастает. Глубина проплавления при сварке в С02 проволоками с композитным активирующим покрытием из фторидных солей щелочных металлов увеличивается на 12-30%, а хлоридных солей щелочных металлов - на 10-23% по сравнению со сваркой в тех же условиях неактивированной проволокой.
3. Коэффициент формы проплавления при сварке в аргоне и С02 с увеличением напряжения на дуге изменяется от 4,5 до 1,0 при наплавке без активирующего покрытия. При применении композиционного электродного покрытия с наполнителем при неизменных условиях наплавки коэффициент формы проплавления изменяется от 3,1 до 0,73. В случае применения композитного покрытия с наполнителем МдС12-МаС1 коэффициент формы проплавления изменяется от 3,8 до 0,3.
Библиографический список
1. Патон Б.Е. Проблемы сварки на рубеже веков / Б.Е. Патон // Автоматическая сварка. -1999. - №3. - С.4-14.
2. Походня И.К. Сварочные материалы: состояние и тенденции развития / И.К. Поход-ня // Сварочное производство. - 2003. - №6. - С.26-40.
3. Ленивкин В.А. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах /
В.А. Ленивкин, Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сагиров. - М.: Машиностроение, 1989. - 264 с.
4. Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением / А.И. Акулов,
Г.А. Бельчук, В.П. Деменцевич. - М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.
5. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Па-тона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.
6. Ленивкин В.А. Влияние активирующих галогенидсодержащих покрытий на технологические свойства дуги при МКз-сварке / В.А. Ленивкин, С.Г. Паршин // Сварочное производство. -2010. -№10. -С.3-8.
Материал поступил в редакцию 05.03.2012 г.
References
1. Paton В.Е. Problemy' svarki na rubezhe vekov / B.E. Paton // Avtomaticheskaya svarka. -1999. - №3. - S.4-14. - In Russian.
2. Poxodnya I.K. Svarochny'e materialy': sostoyanie і tendencii razvitiya / I.K. Poxodnya // Svarochnoe proizvodstvo. - 2003. - №6. - S.26-40. - In Russian.
3. Lenivkin V.A. Texnologicheskie svojstva svarochnoj dugi v zashhitny'x gazax / V.A. Leniv-kin, N.G. Dyurgerov, X.N. Sagirov. - M.: Mashinostroenie, 1989. - 264 s. - In Russian.
4. Akulov A.I. Texnologiya і oborudovanie svarki plavleniem / A.I. Akulov, G.A. Bel'chuk, V.P. Demencevich. - M.: Mashinostroenie, 1977. - 432 s. - In Russian.
5. Texnologiya e'lektricheskoj svarki metallov і splavov plavleniem / Pod red. B.E. Patona. -M.: Mashinostroenie, 1974. - 768 s. - In Russian.
6. Lenivkin V.A. Vliyanie aktiviruyushhix galogenidsoderzhashhix pokry'tij na texnologicheskie svojstva dugi pri MIG-svarke / V.A. Lenivkin, S.G. Parshin // Svarochnoe proizvodstvo. - 2010. - №10.
- S.3-8. - In Russian.
COMPOSITE ACTIVATING COATING EFFECT ON WELD GEOMETRY
V.A. LENIVKIN
(Don State Technical University),
D.V. KISELEV
(«Scientific Industrial Enterprise North Caucasian Educational and Scientific Centre» LLC)
S.G. PARSHIN
(Northwest Institute of Welding and Nanomaterials, St.Petersburg)
The effect of the composite activating coating based on the halide salts upon the weld geometry under gas-shielded welding by the reverse polarity current has been investigated. The dependence of the fusion penetration on the electrode wire coating is found out.
Keywords: welding, shielding gases, consumable electrode, activating coating, weld sizes.
