CC BY
13
СВАРКА, РОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.791
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-397-398
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ СВАРКИ ЁМКОСТЕЙ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ С УЧЁТОМ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА
А.О. Должникова
В работе представлены результаты исследований влияния величины погонной энергии на качество металла сварного шва при производстве резервуара для химической промышленности, изготовленного из коррозион-ностойкой стали 12Х18Н10Т. Показаны итоги металлографических исследований и испытаний прочности сварных соединений. На их основании разработаны технологические решения (определены режимы сварки), позволяющие получить качественное сварное соединение с обеспечением максимальной производительности процесса.
Ключевые слова: сварка под флюсом, резервуар, режимы сварки, погонная энергия, прочность.
В химической промышленности для производства и хранения продукции часто используются сварные ёмкости из коррозионностойких сталей. Как правило, они представляют собой герметичные стальные резервуары, предназначенные для хранения и выдачи химических веществ (концентрированные и разбавленные кислоты, окислители, соляные растворы, щелочи, сжиженные газы и другие химикаты). Выполняются такие резервуары в основном из высоколегированных хромоникелевых коррозионностойких сталей.
В частности, в ООО «Импульс» поступил заказ на изготовление такого резервуара из стали 12Х18Н10Т
(рис. 1).
Данное изделие представляет собой сварную конструкцию, состоящую из отдельных частей. Все нержавеющие ёмкости и резервуары комплектуются вспомогательным технологическим оборудованием, которое обеспечивает высокую производительность сливо-наливных операций, защиту ёмкости от утечки, а также позволяет проводить технический осмотр (люки, патрубки и т. д.). Сверху находится стационарная крышка, которая крепится к стенкам ёмкости.
Технология сварки металлоконструкций подобных резервуаров должна соответствовать определённым требованиям и обеспечивать:
• высокую производительность и экономическую эффективность сварочного процесса с учётом объёмов изготовления;
• однородность и сплошность металла сварных соединений с учётом конкретных условий и требуемых механических свойств (прочности, пластичности, твёрдости, ударной вязкости, хладостойкости);
• минимальный уровень деформаций свариваемых металлоконструкций резервуара;
• герметичность резервуара.
На изделии имеются стыковые соединения на металле толщиной 8 мм. Месячная программа выпуска резервуаров составляла 320 шт. Учитывая достаточно большую программу, при разработке технологического процесса сварки было принято решение об использовании автоматизированных способов. При заводском изготовлении ме-
2) 3)
таллоконструкций резервуаров основными способами сварки являются автоматическая сварка под флюсом, механизированная сварка в углекислом газе или в смеси газов на основе аргона и механизированная сварка порошковой проволокой. При анализе конструкции изделия и существующих способов сварки был выбран способ автоматической сварки под флюсом. При этом необходимо было обеспечить максимальную производительность процесса, но без потери качества. В том числе для этого желательно было обеспечить сварку соединения за минимальное количество проходов, поскольку сварка с большим количеством проходов ведёт к удорожанию процесса. Данный способ сварки позволил осуществить сварку соединения в один проход.
Таким образом, цель данной работы заключалась в поиске оптимальных режимов сварки, обеспечивающих гарантированное качество сварных соединений при максимально возможной производительности процесса. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) Расчётным путём определить диапазон допустимых режимов сварки для данного способа; Определить критерий качества сварных соединений;
Определить критерий, который обеспечивал бы связь режимов сварки с производительностью процесса;
4) Провести испытания образцов, выполненных из материала изделия, при различных значениях параметров режима сварки для подтверждения качества сварного соединения;
5) На основании исследований определить оптимальные параметры режима сварки, обеспечивающие качество сварного соединения при максимально возможной производительности процесса.
При расчете режимов была применена методика, описанная в [1]. В результате был определён следующий диапазон параметров режима сварки:
• Диаметр электрода dэ = 3 мм;
• Сила сварочного тока 1св = 280.. .400 А;
• Напряжение на дуге ид = 35 В;
• Скорость сварки vсв = 28.32 м/ч;
• Скорость подачи проволоки Уп. п = 53.60 м/ч.
Для сварки использовалась проволока Св-06Х19Н9 ГОСТ 2246-70. В качестве флюса был выбран пассивный плавленый флюс АН-20С. Его химический состав представлен в табл. 1.
Химический состав флюса АН-20С, % [1]
Таблица 1
зю2 СаО MgO А12О3 CaF2 К2О + МпО | Fe2O3 | 8 Р
^2О не более
19-24 3-9 9-13 27-32 25-33 2-3 0,5 | 0,8 | 0,06 0,03
Данный флюс предназначен для дуговой автоматической сварки и наплавки высоколегированных и среднелегированных сталей соответствующей сварочной проволокой.
Сталь 12Х18Н10Т обладает хорошей свариваемостью при наличии качественной защиты сварного соединения. Она не склонна к образованию холодных и горячих трещин и не требует дополнительных технологических приёмов, таких как предварительный и/или сопутствующий подогрев, термообработка после сварки и т. д. Поэтому оптимальным критерием качества сварного соединения было решено взять его прочность. Для этого образцы, сваренные на исследуемых режимах, разрывали на разрывной машине Р-20. Образцы представляли собой пластины той же толщины и состава, что и применяемые в изделии. В качестве критерия, связывающего режимы сварки с производительностью процесса, была взята погонная энергия сварки, определяемая по формуле [1]:
п _ 1свЦдЛ Чпог ч ?
где п - КПД процесса (для автоматической сварки под флюсом п = 0,9.0,95 [1, 2]).
Скорость сварки, как основная составляющая погонной энергии, и будет определять производительность процесса. Для исследований из ранее определённого диапазона было выбрано семь значений погонной энергии, которые приведены в табл. 2 (для скорости сварки указаны как значения, показывающие технологически обусловленные показатели, так и значения, необходимые для расчёта погонной энергии):
Экспериментальные значения погонной энергии
Таблица 2
Iсв, А 280 300 320 340 360 380 400
ид, В 35 35 35 35 35 35 35
Усв, м/ч 28 28,5 29 29,5 30 30,5 31
Усв, м/с (для расчёта qпог) 0,0078 0,0079 0,008 0,0082 0,0083 0,0084 0,0086
Упп, м/ч 53 54 55 56 57 58 59
Чпог, кДж/м 1193 1262 1330 1379 1442 1504 1547
На указанных режимах были сварены соответствующие образцы и проведены их испытания на прочность. Общий вид образцов представлен на рис. 2.
Результаты испытаний приведены в табл. 3 и на рис. 3.
Влияние погонной энергии на прочность сварного соединения
Таблица 3
Чпог, кДж/м 1193 1262 1330 1379 1442 1504 1547
Ов, МПа 520 540 565 760 765 710 680
Рис 2. Сварные образцы после испытания на разрывной машине
сг„ МПа
1193 1262 1330 1379 1442 1504 1547 qrajr, кДм/м
Рис. 3. График зависимости предела прочности сварного соединения ав от погонной энергии </«»,■
В ходе анализа полученных результатов было установлено, что на первых трёх значениях погонной энергии присутствует непровар, что и обуславливает сравнительно небольшие значения прочности сварного соединения. Непровар, вероятно, вызван теплоотводом в сварное изделие и в расплавление флюса. Наибольший интерес представляет процесс падения прочности сварного соединения при увеличении погонной энергии. Для выявления причин такого результата были проведены металлографические исследования изготовленных образцов, использованных при определении прочности.
На образцах, сваренных на минимальных и оптимальных режимах погонной энергии, была выявлена мелкозернистая структура аустенита (рис. 4) с отдельными неметаллическими включениями, вероятно, шлаковыми. С дальнейшим увеличением погонной энергии имеется тенденция к увеличению роста зерна (рис. 5), что, согласно литературным данным [3 - 41, отрицательно сказывается на механических свойствах, что и подтвердили испытания прочности образцов (см. рис. 3). При дальнейшем увеличении погонной энергии вместе с увеличением размера зерна появляются участки с межкристаллитной коррозией (рис. 6). В результате было установлено, что с увеличением погонной энергии увеличивается размер зерна в металле сварного шва и возникают участки с межкристаллитной коррозией.
х100
Рис. 4. Структура металла сварного шва, сваренного на оптимальном значении погонной энергии 1442 кДж/м (видны неметаллические (вероятно, шлаковые) включения, балл зерна 7 - 8)
Межкристаллитная коррозия, вероятно, образовалась вследствие длительного пребывания металла выше критической точки Аз и образования оксидов хрома по границам зёрен в тыльной части закристаллизовавшейся ванны. Вероятно, образование оксидов хрома происходит вследствие отслаивания шлаковой корки в тыльной части ванны и попадания под неё атмосферного воздуха, что и приводит к образованию межкристаллитной коррозии. Увеличение погонной энергии и, соответственно, производительности процесса сварки возможно в случае принудительного охлаждения сварного соединения. Такой приём описан в литературе [2]. Однако введение в технологический процесс такого приёма потребует дополнительных затрат, что нецелесообразно.
х100
Рис. 5. Структура металла сварного шва при повышении значения погонной энергии до 1504 кДж/м
(балл зерна 3 - 4)
Ж
х100
Рис. 6. Участок металла сварного шва, сваренного на повышенном значении погонной энергии 1547 кДж/м (балл зерна 2 - 3, видна развитая межкристаллитная коррозия)
Таким образом, в ходе проведённых исследований было установлено:
1.Выбор погонной энергии в качестве критерия, связывающего параметры режима сварки с производительностью процесса, был оправдан;
2.Проведённый комплекс исследований позволил определить оптимальные режимы сварки для конкретного изделия: ¿э = 3 мм, 1св = 360 А, ид = 35 В, vсв = 30 м/ч, п = 57 м/ч;
3.Подобная методика поиска оптимальных режимов сварки может быть использована при проектировании технологического процесса изготовления изделий из подобных материалов.
Список литературы
1.Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. / К.В. Васильев, В.И. Вилль, В.Н. Волченко и др. / под ред. Н.А. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. 501 с.
2.Масаков В.В., Масакова Н.И., Мельзитдинова А.В. Сварка нержавеющих сталей: учебное пособие. Тольятти: ТГУ, 2011. 184 с.
3.Металловедение и термическая обработка сварных соединений: учеб. пособие. М.: Логос, 2007.
456 с.
4.Неверов В.В., Клевцов П.Н. Прогнозирование работоспособности паровых котлов на основе результатов дефектоскопии сварных соединений // Сварка и диагностика. М: «НАКС Медиа», 2016. № 5. С. 50 - 54.
Должникова Алина Олеговна, магистрант, [email protected], Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Научный руководитель: Неверов Виктор Валентинович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
400
DETERMINATION OF OPTIMAL WELDING MODES OF RESERVOIRS FOR THE CHEMICAL INDUSTRY, TAKING INTO ACCOUNT THE PRODUCTIVITY OF THE PROCESS
A.O. Dolzhnikova
The article presents the results of studies of the effect of the value of the energy content on the quality of weld metal in the production of a tank for the chemical industry, made of corrosion-resistant steel 12X18H10T. The results of metallographic studies and strength tests of welded joints are shown. On their basis, technological solutions have been developed (welding modes have been determined), allowing to obtain high-quality welded joints with the provision of maximum productivity of the process.
Key words: submerged arc welding, reservoir, welding modes, linear energy, strength.
Doljnikova Alina Olegovna, master, [email protected], Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical
University,
Scientific supervisor: Neverov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, svarka_lip@mail. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.791
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-401-402
МЕТОДИКА CПЕКТРОГРАФИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПЛАЗМЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПРИ СВАРКЕ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В АРГОНЕ
А.С. Бабкин, Н.С. Котов
В работе представлена методика получения спектра излучения приэлектродных областей сварочной дуги в аргоне с неплавящимся электродом. Описаны использованные спектрографические приборы, оптика, экспериментальная установка и даны схемы измерения. Приведены полученные с использованием методики спектры при-электродных областей сварочной дуги
Ключевые слова: сварка неплавящимся электродом в аргоне, электрическая дуга, приэлектродные области дуги, спектроскопия, оксиды металлов.
Известно [1], что применение однопроходной сварки вольфрамовым электродом в аргоне (TIG) стыковых соединений ограничено толщиной металла 4 мм. Одним из методов увеличения проплавляющей способности сварки вольфрамовым электродом в аргоне является применение оксидов металлов и фторидов как флюсов. Применяют как отдельные оксиды и фториды, так и их смеси. Такой метод сварки получил наименование «сварка с активирующими флюсами», в зарубежной научно-технической литературе обозначаемая как A-TIG. Этому методу сварки посвящено достаточно много работ и накоплено много экспериментальных данных. Так, в типичной работе такого рода Saha S. и Das S. [2] исследовали влияние оксидов металлов TiO2, Fe2O3 и СГ2О3 на размеры сварочной ванны. Было установлено, что при использовании TiO2, Fe2O3 увеличивается глубина проплавления, уменьшаются ширина и усиление сварного шва за счет, как считают авторы, изменения направления движения металла в сварочной ванне под действием эффекта Марангони и сжатия дуги. При применении оксида СпОз не было отмечено изменения глубины проплавления, так как он не влияет на характеристики дуги [2]. В исследовании [3] изучали влияние оксидов SiO2, TiO2, СГ2О3 и CaO на размеры шва при TIG сварке аустенитной стали 316L. Экспериментальные результаты показали, что максимальное отношение глубины проплавления к ширине шва нержавеющей стали было получено, когда плотность покрытия составляла 2, 6, 1, 3, 2 и 7, 8 мг/см2 для SiO2, ТЮ2, СГ2О3 и CaO соответственно. Оксид SiO2 оказывает наибольшее влияние на увеличение глубины провара при A-TIG. Известно, что кислород является поверхностно-активным элементом для нержавеющей стали. В работе [3] установлено, что в диапазоне 70-150 ppm (частей на миллион) кислорода в сварочной ванне отношение глубины/ширины сварного шва внезапно увеличилось, однако, за пределами этого диапазона не наблюдалось влияния на увеличение глубины провара.
Температура и состав плазмы электрической дуги являются важными характеристиками электрической дуги. Температура областей плазмы электрической дуги при сварке TIG спектроскопическим методом определена А. Бертье и др. в работе [4] при использовании флюса в виде фторида магния MgF2. В прикатодной области отмечен рост температуры до 12000 К, а в прианодной области до 4000 К. [4] по сравнению с TIG.
Однако исследований влияния оксидов металлов на распределение температур в плазме дуги электрической дуги и ее состав при использовании оксидов металлов как флюсов нами не обнаружено, между тем понятно, что изменение температуры и состава плазмы приэлектродных областей играет существенную роль в процессах плавления металла и формирования шва. Представляет интерес изучение температурного режима и состава плазмы для оценки влияния продуктов распада оксидов на температуру и состав плазмы при сварке в аргоне вольфрамовым электродом аустенитных сталей.
С этой целью нами была собрана установка, разработана и опробована методика регистрации излучения приэлектродных областей сварочной дуги спектрографическими методами.
Условия эксперимента. Температуру неподвижной сварочной дуги измеряли в процессе ее горения в аргоне между неплавящимся электродом и стальным образцом с применением флюсов на основе оксидов металлов. Использовали образцы размером 40х150х4 мм из стали 08Х18Н9Т [5]. Для проведения экспериментов была собрана установка, показанная на рис. 1. Она состоит из спектрографа ДФС-452 (1) с многоканальным оптическим регистратором спектра МОРС (2), компьютера (3) с программным обеспечением для получения и обработки спектрограмм, осветительной системы (4), ртутной лампы (5), образца (6) установленного на регулируемом по высоте столике (7), инверторного источника питания Технотрон DC200AY.3 (8), с баллонном аргона (9) и горелкой Abicor Binzel ABITIG 17 GRIP9 (10).
