CC BY
72УДК 621.791
Влияние скорости истечения защитного газа на перенос капель
электродного металла
Д.А. Чинахов, к.т.н., доцент, Е.И. Майорова, аспирант, Гоигорьева Е.Г.
Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета 652055 Россия, Кемеровская область, г. Юрга, ул. Ленинградская д.26 т. +7(384-51) 7-77-59, chinakhov@tpu.ru
Основная роль при формировании химического состава металла шва и свойств сварных соединений отводится процессам, протекающим в капле расплавленного электродного металла и в металле сварочной ванны. При сварке плавящимся электродом в струйной газовой защите, при определенных условиях кроме основных сил, на каплю электродного металла существенное влияние оказывает сила газодинамического действия струи защитного газа, которая зависит от способа и состава газовой защиты зоны сварки. По результатам исследований установлено, что при изменении скорости истечения защитного газа на срезе сварочного сопла меняются процессы протекающие в зоне сварки. Наблюдается изменение частоты переноса капель электродного металла в сварочную ванну и химического состава металла шва.
Impact of the expiry of the protective gas velocity on the transfer of
electrode metal droplets
D.A. Chinahov, E.I. Mayorov, E.G. Grigorieva +7(384-51) 7-77-59, chinakhov@tpu.ru
The main role in the formation of the chemical composition and properties of the weld metal of welded joints is given processes occurring in a drop of molten metal and the electrode metal in the weld pool. In welding with consumable electrode gas jet protection, except under certain conditions the main forces for drop electrode metal strength is significantly affected by the jet action of the gas-dynamic protective gas, which depends on the method and composition of shielding gas welding zone. According to the research found that when the expiration of the shielding gas welding speed on a section of the nozzle change processes occurring in the welding zone. There is a change in the frequency of electrode metal droplet transfer to the weld pool and the chemical composition of the weld metal.
Сварочные процессы быстро протекают по сложным физико-химическим законам при высокой температуре. Совокупность различных факторов и явлений определяет качество сварных соединений. Особенно сильно это влияние сказывается при сварке сталей склонных к закалке. Формирование структуры и фазового состояния соединяемого металла зависит от его химического состава и условий теплового воздействия, зависящих при прочих равных условиях от режима и условий сварки [1-12]. Основная роль при формировании свойств сварных соединений отводится процессам, протекающим в капле расплавленного электродного металла и в металле сварочной ванны [1, 2, 3, 13]. Скорость и полнота протекания физико-химических процессов в капле электродного металла определяют качество формирования сварного шва и его химический состав [12, 13].
Перенос электродного металла зависит от различных факторов в зоне варки. Известно [1, 3, 11], что при сварке в защитных газах с традиционной одноструйной защитой на каплю электродного металла действуют следующие основные силы: сила давления потоков плазмы дуги, сила поверхностного натяжения, реактивная сила испаряющегося металла и выделения газа, сила тяжести, электродинамическая сила. Составляющие этих сил зависят от условий, в которых горит дуга, материала электродов, силы сварочного тока, напряжения дуги, скорости движения сварочной проволоки и капли. Большинство сил связано с размером капли
электродного металла и местом расположения капли относительно сварочной ванны. Эти силы, в зависимости от их направления, либо препятствуют переносу электродного металла, либо способствуют ему.
При сварке плавящимся электродом в струйной газовой защите, при определенных условиях кроме основных сил, на каплю электродного металла существенное влияние оказывает сила действия струи защитного газа [2, 11, 12], которая зависит от способа и состава газовой защиты зоны сварки, скорости истечения защитного газа из сварочного сопла. Значительное влияние этой силы и скорости истечения газа отмечено при двухструйной газовой защите в СО2 [12, 14].
Сила действия струи защитного газа Fг зависит от скорости истечения защитного газа из сварочного сопла, направлена вдоль электрода к свариваемому изделию и способствует позиционированию капли вдоль оси электрода (рис. 1).
Для составления описания силы действия струи защитного газа на каплю электродного металла примем допущение, что давление на каплю равно давлению на срезе сварочного сопла.
Давление газа на срезе сопла рассчитали по формуле [15]:
где О - расход защитного газа, м3/с; Б - площадь сечения сопла, м2.
Силу действия струи защитного газа на каплю электродного металла определяли по формуле [12]:
где Р - давление защитного газа на поверхность капли с учетом диссоциации, Па; Гк - радиус капли, м; Гэ - радиус сварочной проволоки, м; Сх - аэродинамический коэффициент сопротивления шара, Сх = 0,48.
2 ,
где Ь - плотность газа, кг/м3, V - скорость истечения, м/с. Скорость истечения рассчитали по формуле:
V=G/S,
(1)
(2)
(3)
Электрод
Рис. 1. Сила действия струи защитного газа на каплю: а) традиционная одноструйная газовая защита; б) двухструйная газовая защита
Определили скорость истечения газа из сопла и силу действия струи защитного газа на каплю электродного металла. Провели сравнительный расчет для традиционной одноструйной и разработанной двухструйной газовой защиты (табл. 1). Защитный газ - СО2, плотность газа Ь =1,97 кг/м3, расход газа О = 20 л/мин.
По результатам выполненных расчетов установлено, что при двухструйной газовой защите по сравнению с одноструйной на выходе из сопла возрастает скорость истечения газа в 2,1 раза и сила действия струи защитного газа в 4,5 раза (расход газа одинаковый) [16, 17].
Таблица 1
Скорость истечения срезе сопла и сила действия струи защитного газа
Способ Площадь сечения S, мм2 Плотность газа p, кг/м3 Скорость истечения V, м/с Сила действия струи защитного газа Fr, Н*10-4
Одноструйный 172 1,97 1,93 5,2
Двухструйный 82 4,07 22,05
Для проверки адекватности полученных расчетных данных провели эксперимент. В лабораторных условиях с помощью термоанемометра Dwyer Series 471 измерили скорости потоков защитного газа на срезе сопла при разных расходах газа (табл. 2).
Таблица 2
Расчетные и экспериментальные значения скоростей защитного газа._
Расход, л/мин Расчетная скорость газа, м/с Экспериментально полученная скорость газа, м/с
Традиционная Двухструйная Традиционная Двухструйная
10 0,97 1,1 0,93 1,06
20 1,92 2,5 1,83 2,55
30 2,89 3,7 2,7 3,62
Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает, что относительная погрешность не превышает 10% и разработанная модель истечения защитного газа из сварочного сопла обеспечивает удовлетворительную точность при решении задачи о стационарном взаимодействии осесимметричной струи защитного газа с нормально расположенной плоской преградой при различных объемных расходах [16].
Для определения влияния скорости истечения защитного газа на химический состав металла шва при сварке плавящимся электродом в CO2 был проведен эксперимент на реальном объекте исследования. Во время проведения эксперимента выполняли наплавку валика на пластину из стали 40Х толщиной 10 мм сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм в защитном газе CO2. Наплавку валика выполняли сваркой с одноструйной (коническое сопло) и с двухструйной газовой защитой. Режим сварки: 1=150 А, напряжение дуги U = 24 В, вылет электродной проволоки L=12 мм, расход защитного газа Q=20 л/мин. Эксперименты проводили в равных условиях и на одинаковых режимах со скоростью сварки V = 3,3 мм/сек. Источники питания ВС-300Б, сварочная установка VD - 1500.
Во время поведения эксперимента проводили съемку осциллограмм тока и напряжения с помощью цифрового осциллографа Agilent Technologies DSO1012A.
Анализ осциллограмм показал, что с увеличением скорости истечения защитного газа из сварочного сопла увеличивается газодинамическое воздействие на каплю электродного металла, возрастает частота переноса капель с электрода в сварочную ванну и интенсивность протекания металлургических процессов на поверхности капли, уменьшается время перехода капли в сварочную ванну (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения: а) традиционная одноструйная газовая защита; б) двухструйная газовая защита
На полученных сварных образцах провели исследование химического состава наплавленного металла (табл. 3).
Результаты химического анализа наплавленного металла
Таблица 3
Расход защитного газа, Q, л/мин Массовая доля элементов, %
С Mn Si Fe №
20 Традиционная одноструйная газовая защита
0,12 0,92 0,23 97,89 0,42 0,10
Двухструйная газовая защита
0,12 0,85 0,20 97,98 0,41 0,10
Марганец имеет наименьшую температуру кипения и теплоту испарения (табл.4) из всех легирующих элементов, входящих в химический состав сварочных проволок. Это приводит к его интенсивному испарению и окислению на поверхности капли при сварке (проволока Св-08Г2С), температура которой составляет около 3300 К [13].
Таблица 4
Термодинамические свойства простых веществ (при н.у.), входящих в химический
состав сварочной проволоки [18]
Вещество
Наименование Mn Si № Fe С
графит
Плотность, г/см3 7,21 2,33 7,19 8,9 7,87 2,25
Температура плавления, К 1517 1688 2130 1726 1812 3820
Температура кипения, К 2235 2623 2945 3005 3134 5100
Теплота испарения, кДж/моль 221 383 342 378,6 340 -
Увеличение при сварке скорости истечения и количества взаимодействующих частиц с поверхностью капли, приводит к повышенному выгоранию кремния и марганца [2, 12, 13].
При сварке с двухструйной газовой защитой скорость истечения газа в условиях данного опыта в 2,1 раза больше чем при одноструйной защите, что приводит к удалению с поверхности капли большего количества марганца. Таким образом, в сварочную ванну переходит электродный металл уже с меньшим содержанием марганца. С увеличением при сварке расхода СО2 уменьшается содержание марганца в капле при любом способе струйной защиты [12, 14].
На основании изложенного можно сделать вывод, что при сварке плавящимся электродом в СО2 скорость истечения газа из сварочного сопла оказывают значительное влияние на перенос капель и химический состав металла сварного шва. Правильный выбор способа газовой защиты (двухструйная защита) и расхода газа позволит управлять переносом электродного металла и химическим составом металла шва, стабилизировать процесс сварки.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-38-00194 МОЛ_А
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. Потапьевский А. Г., Сараев Ю. Н., Чинахов Д. А. Сварка сталей в защитных газах плавящимся электродом. Техника и технология будущего: монография // Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2012.
3. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение. - 1989. - 264 с.
4. Шоршоров M.X. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Издательство «Наука». - 1965. - 337 с.
5. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. -1989. - 339 с.
6. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия. - 1983. - 359 с.
7. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. - Киев: Издательское объединение «Вища школа». - 1976. - 424 с.
8. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.:Высш. шк. 1988. - 559 с
9. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз. -1951. - 296 с.
10. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: в 7 т. Том.4. Основы тепловых процессов в свариваемых изделиях. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. - 547 с.
11. Столбов В.И. Сварочная ванна: Монография. - Тольятти: ТГУ. - 2007. - 147
с.
12. Чинахов Д.А. Роль газодинамического воздействия струи защитного газа на процессы сварки плавящимся электродом: монография / Д.А. Чинахов. Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 151 с.
13. Новожилов М.Н. Основы металлургии дуговой сварки в газах. - М.: Машиностроение. - 1979. - 231с.
14. Чинахов Д.А. Влияние двухструйной газовой защиты на эксплуатационные свойства сварных соединений судостроительной стали GL-E36 // Автоматическая сварка. - 2009. - № 9. - С. 39-42.
15. Новиков О.М., Радько Э.П., Иванов Е.Н., Иванов Н.С. Разработка новой технологии дуговой сварки в защитных газах на основе применения пульсаций газовых потоков и потенциалов ионизации// Сварщик-профессионал. - 2006. - № 6. -С. 10-13, 16.
16. Чинахов Д. А., Воробьев А. В., Томчик А. А. Влияние активного защитного газа на распределение тепла в зоне сварки //Тяжелое машиностроение. - 2013. -№1. - С. 23-26.
17. Chinakhov D.A., Grigorieva E.G., Mayorova E.I. Study of gasdynamic effet upon the weld geometry when concumable electrode welding. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 127 (2016) 012013. doi:10.1088/1757-899X/127/1/012013
18. Бигеев А.М. Металлургия стали. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия. - 1988. - 480 с.
