CC BY
23
УДК 621.781.75
Устинов A.B.
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ПОДВОДНОЙ СВАРКЕ МОКРЫМ СПОСОБОМ
Во многих работах, посвященных исследованию подводной сварки мокрым способом, отмечаются необычно высокие скорости охлаждения сварных соединений, которые неблагоприятно отражаются на качестве металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ) [1,2,3,4,5].
Металл шва остывает в 10 -15 раз быстрее чем на воздухеи термический цикл становится более резким за счет увеличения скорости нагрева, остывания и сокращения времени пребывания металла при высоких температурах [1]. Градиент максимальных температур в ЗТВ значительно возрастает, а ее размер уменьшается [4].
Неблагоприятный характер термического цикла при подводной сварке покрытыми электродами является причиной значительного снижения пластических свойств сварного соединения как за счет засоренности металла шва неметаллическими включениями, наличия пор и подрезов [5,6], так и за счет образования закалочных структур в ЗТВ [1,5]. Смягчение его и приближение к тому виду, который наблюдается при сварке на воздухе, позволило бы существенно повысить качество соединений, особенно из низколегированных сталей.
Для экспериментальной или расчетной оценки изменений характера тепловых процессов должны быть количественные характеристики термического цикла и распределения максимальных температур, получающихся при сварке на конкретных режимах и толщинах металла Из литературных данных известно, что в зависимости от погонной энергии, мощности дуги и толщины металла при подводной сварке покрытыми электродами скорость охлаждения металла в ЗТВ в интервале температур 800 - 500 °С может варьироваться от 416 °С/с до 56 °С/с [2-5]. Однако использовать эти экспериментальные данные можно только ориентировочно для контроля получаемых результатов. Для построения экспериментальной или расчетной моделей тепловых процессов сведения из литературы часто невозможно использовать, так как не все параметры режима сварки и ее условия указываются. Особенно невысок уровень информации по сварке сталей толщиной 8-16 мм, которые широко используются в судостроении и на морских сооружениях.
В настоящей работе представлены результаты экспериментального изучения тепловых процессов при подводной сварке на стали средней толщины. Для обеспечения высокой воспроизводимости и точности эксперимента, а также сохранения условий ручной дуговой сварки покрытыми электродами, опыты выполнялись на механизированной установке, созданной на базе сварочного автомата АДС-1000 -1. Зависимая от напряжения на дуге скорость подачи электрода обеспечивает автоматическое поддержание дугового процесса в области параметров, присущих ручной дуговой сварке, тем самым уменьшая влияние индивидуального фактора водолаза - сварщика на стабильность, параметров шва Скорость сварки регулируется в пределах 1-20 м/ч. Максимальный уровень воды над предметным столиком, где размещается металл, составляет 0.4 м при полном объеме воды в гидробоксе0.2 м3 Штучный электрод закрепляется в электорододержателе с несущим стержнем, который перемещается подающими роликами сварочной головки. Непосредственное подключение сварочного кабеля к торцу электрода через электрододержатель воспроизводит условия протекания тока, присущее ручному способу сварки. Установка позволяет выполнять сварку на прямой и обратной полярности во всем диапазоне токов и напряжений, используемых для электродов диаметром 3-5 мм.
Регистрация термических циклов производилась на пластине размером 16x200x300мм из стали 09Г2 с помощью хромель-алюмелевых термопар диаметром 0.2 мм. Тарирование тер-
мопар и последующая запись температур осуществлялась светолучевым осциллографом Н -117/1 на светочувствительной бумаге УФ - 67. Термопары располагались в ЗТВ непосредственно под швом и на поверхности пластины, а также в более удаленных от шва участках основного металла для оценки характера тепловых процессов по всему сечению пластины. Присоединение термопар к металлу производилось конденсаторной сваркой, после чего они тщательно гидроизолировались. Точное положение термопар после сварки определялось с помощью инструментального микроскопа на темплетах, разрезанных по месту расположения термопар.
Предварительно был подобран режим сварки электродами марки АНО-4 диаметром 4 мм, обеспечивающий удовлетворительное формирование металла шва при минимально возможных токах с целью получения наиболее жестких условий охлаждения. На макрошлифах определялись параметры шва и места расположения термопар В контрольной пластине. Электроды перед сваркой просушивались и покрывались слоем водостойкого лака Для определения области установившегося теплового режима и уточнения величины разброса экспериментальных данных была выполнена запись термических циклов в пяти точках околошовной зоны расположенной под центром шва по его длине. Термопары устанавливались на расстоянии 30-80 мм от начала шва через каждые 10 мм, на глубине 2.2 мм от поверхности пластины.
Сварка выполнялась в пресной воде на глубине 0.3 м при температуре 10 °С на токе 160±5 А, напряжении на дуге 29±1 В со скоростью 1.7±0.1 мм/с на обратной полярности. Длина шва составила 100 мм. Изменение глубины проплавления по ходу сварки находится в пределах 0.3 мм ( 1.5 - 1.8 мм). Термопары оказались расположены на расстоянии 0.4 - 0.7 мм от линии сплавления. Наибольшие максимальные температуры были зарегистрированы на первой от надала шва термопаре (1230 °С) и последней (1250 °С). Минимальное ее значение составило 1040 °С (на третьей термопаре). Скорости охлаждения в интервале температур 800 - 500 °С находились в пределах 68 - 88 °С/с, а в интервале 500 - 300 °С изменялись от 38 до 64 °С/с. При высоких температурах быстрее всего остывал металл на первой термопаре, что свидетельствует о неустановившемся тепловом режиме на расстоянии от начала сварки до 40 мм. На последней термопаре была самая высокая скорость охлаждения при низких температурах. Здесь начинает сказываться отсутствие подогрева после окончания сварки.
Эксперимент показал, насколько сложно выполнить измерения максимальных температур на одном и том же расстоянии от линии сплавления шва Место расположения термопары случайным образом изменяется как из-за неточности подготовительных работ, так и вследствие колебания глубины проплавления. Однако область попадания термопар захватывает участок перегрева ЗТВ, в котором наблюдаются высокие температуры, скорости охлаждения и возможно образование закалочных структур и холодных трещин. В среднем скорость охлаждения в интервале температур 800 - 500 °С составила 72±3,5 °С/с, в интервале 500 - 300 °С была равна 40±1,5 °С/с. Точность определения скоростей охлаждения при высоких и низких температурах составило соответственно ±5,0 % и ±1,2%.
Результаты распределения максимальных температур по сечению пластины при сварке под водой и для сравнения на воздухе показаны на рис. 1.
Сварка выполнялась на режимах, указанных выше. Термопары были расположены в области установившегося теплового режима. Обработка измерений показала, что при сварке под водой в поверхностном слое металла на расстоянии 1 мм от ЛС наблюдается наиболее высокий градиент максимальных температур ( 1000 °С/мм), а по толщине пластаны он составляет 450 °С/мм. При удаления от ЛС градиент температур вдоль поверхности резко уменьшается, и на расстоянии 8 мм, где максимальная температура не превышает 100 °С, градиент температур не более 10 °С/мм. По толщине пластины температура убывает значительно медленнее и на
расстоянии 8 мм от ЛС она составляет 510 °С при градиенте 45 °С/мм.
При сварке на воздухе распределение максимальных температур воль поверхности и под швом на расстоянии 1 мм от ЛС не столь существенно отличается друг от друга Градиент температуры в первом случае составляет 280 °С/мм, а во втором - 260 °С/мм. Характерно, что и на воздухе приповерхностные слои металла нагреваются до меньших температур, чем в глубине пластины. На расстоянии 8 мм от ЛС на поверхности максимальная температура составила
400 °С, а по толщине 670 °С.
Рис. 1 - Рспределние максимальных температур на поверхности ( 1) и по толщине ( 2 ) пластины. а) под водой; б) на воздухе.
Превышение более чем в два раза градиента максимальных температур у лицевой поверхности по сравнению с тем, что имеется под центром шва, свидетельствует, что при подводной сварке отвод теплоты через поверхность шва и прилегающую к нему поверхность пластаны происходит более интенсивно, чем из шва в окружающий основной металл. Увеличение градиента максимальной температуры вблизи обратной поверхности пластаны указывает на повышенный отток теплоты через эту поверхность.
Термические циклы, показанные на рис.2, подтверждают существенное различие в условиях охлаждения поверхностных и глубинных слоев ЗТВ. Максимальная температура в точке, расположенной на поверхности пластины на удалении 0.5 мм от ЛС составило 820 °С, скорость охлаждения в интервале 800-500 °С - 75 °С/с, а при 500-300°С - 45 °С/с. Под швом на расстоянии 0.8 мм от ЛС максимальная температура была равна 1130 °С при скоростях охлаждения 68 °С/с и 41 °С/с в тех же интервалах температур. На воздухе скорости охлаждения были значительно ниже: на поверхности 23 °С/с и 8 °С/с, а под швом 15 °С/с и 5 °С/с в аналогичных отрезках температур. Следует отметить большую сложность измерения температур вблизи ЛС на поверхности пластины из-за очень малой протяженности ЗТВ и относительно большого размера спая термопары (0.4 мм). Высокий градиент температуры при такой величине спая дает усредненные значения максимальной температуры. Истинные скорости охлаждения участка могут быть еще выше.
Время X, с
Рис. 2 - Термические циклы ЗТВ при сварке под водой (1;3) и на воздухе (2;4); 1 и 2 - на поверхности, 3 и 4 - под швом.
Выводы
1. Предложенная методика экспериментального изучения тепловых процессов позволила установить некоторые особенности распределения максимальных температур и термических циклов в металле средней толщины при подводной сварке. Точность измерения температур позволяет дать не только качественную, но и количественную оценку изменений температурного поля в металле.
2. Установлено, что в сечении сваренного под водой металла наблюдается значительная не-
однородность распределения максимальных температур, во много раз более существенная, чем при сварке на воздухе, и связана она с интенсивной потерей теплоты через поверхность шва и прилегающего к нему металла Градиент максимальных температур в ЗТВ вблизи ЛС на поверхности металла в 2.2 раза больше чем под швом. По сравнению со сваркой на воздухе он выше в 1,7-2,6 раза
3. Определены скорости охлаждения в наиболее опасном участке ЗТВ, величины которых находятся в пределах, известных из литературный источников. Скорость охлаждения при сварке под водой в 3.3-4.8 выше, чем на воздухе при температурах 800-500 °С, а при 500-300 °С скорости охлаждения выше в 5.6-8.2 раза
Перечень ссылок
1. Brown R.T. and Musubuchi R Fundamental research on underwater welding // Welding Journal. -
1975-№6-P. 178-188.
2. Parmar R. S. Temperature Distribution in underwater shielded metal arc welding of free flat plates.
//J. Inst. Eng. (India) Mech. Eng. Div. -1977 -T.58. - № 1- P. 38-47.
3. Hasui A, Suga Y. On cooling of underwater welds // Transactions of the Japan Welding Society. -
1980.-V.11. -№ 1 -P.21-28.
4. Tsai C-L, Masubuchi К Mechanisms of rapid cooling and their design considerations in under-
water welding//Journal of petroleum technology. - 1980.-T32.-№ 10.-P.1825-1833.
5. Подводная сварка морских сооружений / Котгон Х.К., Харт П.И., Грабе С.Е. и др.: Пер. с
англ.-Л: Судостроение, 1983 -128 с.
6. Савич И.М, Глухова Е.В., Павлова Т.А., Грабин В.Ф. и др. Структура металла швов, вы-
полненных подводной сваркой// Автоматическая сварка -1975. -№ 10.-С. 24-26.
