CC BY
41
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2003 р. Вип. № 13
УДК 621.791.75
Чигарев В.В.1, Малыгина C.B.2 ВЛИЯНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА РЕЖИМ СВАРКИ
Оптимизирован режим сварки в углекислом газе угловых швов по защитному покрытию. Исследованы механические свойства швов
Сборочно-сварочное производство в тяжелом машиностроении характеризуется большой удельной трудоемкостью и сложностью выполняемых технологических операций, особенно при использовании механизированной сварки в защитных газах [1]. Так, на зачистку от брызг и придание сварному соединению товарного вида приходится до 35-40 % трудоемкости всего процесса сварки в среде углекислого газа. Для защиты от брызг рекомендованы специальные покрытия и различные грунты, используемые для консервации проката. Эффективность применения защитных покрытий и возможность сварки по ним в углекислом газе зависят от общей стабильности процесса, определяемой постоянством формирования шва, характером переноса и потерями электродного металла [2]. С точки зрения эксплуатации защитного покрытия, формирование качественного углового соединения особенно сложно и не всегда удовлетворяет требованиям классификационных обществ: присутствует подсос газа в сварочную ванну; кинетическая энергия брызг, попадающих на покрытие, максимальна; соотношение площадей поперечных сечений покрытия и основного металла наибольшее.
Целью работы является оптимизация технологических параметров автоматической дуговой сварки в среде углекислого газа по защитным покрытиям.
Основным параметром режима, определяющим характер процесса сварки, является величина тока. В результате проведенных экспериментов установлено, что в зависимости от характера переноса и величины разбрызгивания электродного металла можно говорить о токах I¡ и I/.
1г = 160-¿/°'875 (1)
/2 =240-<75, (2)
где d3- диаметр электродной проволоки, мм.
При токах 1св < // имеет место перенос электродного металла периодическими короткими замыканиями, при этом наблюдается небольшое разбрызгивание металла, коэффициент потерь i// не превышает 5 %. В диапазоне I¡ < 1св <h наблюдается крупнокапельный перенос при непрерывном горении дуги, разбрызгивание электродного металла достигает максимальной величины и у/=14... 15 %. При сварочном токе 1св > h происходит измельчение капель электродного металла, снижение коэффициента потерь i// до 7 %. Характер переноса электродного металла и степень погружения сварочной дуги в основной металл оказывает влияние на эффективность использования тепловой мощности дуги, которая оценивается величиной эффективного к.п.д. нагрева изделия r¡u. При 1св <7/ кратер неглубок, пятно дуги мало углубляется в основной металл и //„ ~ 0,65. В диапазоне I¡ < 1св < h в связи со значительными потерями электродного металла на разбрызгивание величина эффективного к.п.д. также невелика: r¡u ~ 0,72. И только по мере увеличения сварочного тока (1св > 12), изменения характера переноса электродного металла эффективный к.п.д. возрастает по зависимости:
Tju =0,87 -0,15- еЛ1^1г)11г (3)
Кроме указанных значений сварочного тока следует говорить о минимальном Imin, критическом 1кр и максимальном Imax значениях тока:
/ = / -F ■ (4)
mm J mm э ' v '
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, аспирант
/ =(75 + 47Л)(1-е0Ш');
кр
(5)
4ах=350<, (6)
где }тт~ минимальная плотность тока для заданного диаметра электродной проволоки, А/мм":
Лип = 1 7 + 70 / ¿/э;
/•>* площадь поперечного сечения электродной проволоки, мм".
Напряжение дуги Щ> определяется следующей эмпирической формулой:
и0 = 24 -— + 0,37 4= <7>
Известные методики расчета режима сварки [3, 4] предусматривают раздельное решение вопроса проплавления основного металла и расплавления электрода, что не позволяет оптимизировать режимы. В основе предлагаемой методики лежит решение уравнения теплового баланса:
01+02+&=0и, (8) где О; - количество тепла, идущее на проплавление основного металла и образования зоны проплавления площадью 1']у,\
Л',п - теплосодержание расплавленного металла; $# - теплосодержание основного металла в начальный момент времени; р - плотность расплавленного металла; Усв - скорость сварки;
02 - количество тепла, идущее на перегрев расплавленного металла выше температуры
плавления:
02=СЛТЕпгрУсе-
С - теплоемкость жидкого металла ; ЛГ - перегрев жидкого металла над точкой плавления;
03 - количество тепла, теряемое за счет теплопроводности в основной металл;
(Л, - эффективная тепловая мощность сварочной дуги:
ои = %1сви0.
Если воспользоваться законом теплопроводности Фурье и рассчитать градиент температуры, приняв схему быстродвижущегося точечного источника [1], то:
<2з=з,4%-1. г
(9)
где Ь - длина линии сплавления; г - радиус-вектор, выражающий расстояние от линии сплавления до точечного источника. Поскольку при принятой схеме углового шва (рисунок) радиус г - величина переменная, то его можно рассчитать с некоторой погрешностью из условия равенства расчетной площади сварного шва Бр площади полуокружности:
Ж
г =
р _
= ОД././7,
ж
р ■
(10)
Рисунок - Расчетная схема углового шва
Если считать, что зона проплавления основного металла ограничена параболой, то:
2 2 л/2
— по = —
3 3
Если считать, что зона проплавления основного металла ограничена полуэллипсом, то:
Fp =-hb = -^~ kh = 0,94kh. (П)
р =71ьЬ = 7^кк = \,\Ш (12)
р 44
Однако, как показали эксперименты, реальная схема процесса сварки и реальное изделие отличаются от расчетных. Поэтому формула (9) требует уточнения, исходя из опытных данных:
(2ъ=ЪМха2аДиЫг\ (13)
где - коэффициент, учитывающий влияние параметров режима сварки на интенсивность те-плоотвода от сварочной ванны в массу металла на стадии проплавления:
а1=0,9 + 1,8е-(0б+1г8^а2), а2 - коэффициент, учитывающий влияние толщины стенки А на интенсивность теплоотвода:
с! - разрывный параметр;
а3 - коэффициент, учитывающий отличие точечного источника от сварочной дуги:
аъ = 0,07г
2
Из уравнения (8) можно определить площадь проплавления Fnp основного металла. Для случая сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей типа 09Г2С, 10ХСНД получим:
р = Ян_Ol. пл4)
* 13,75FCä
С другой стороны, расчетную площадь проплавления Fnpp можно определить, зная расчетную площадь сварного шва Fp, формулы (11), (12):
F:p=(Fp-0,5K2)Kp, (15)
где кр =1,0... 1,2 -поправочный коэффициент, учитывающий влияние конструктивных особенностей изделия на возможное искажение формы зоны проплавления. Формулы (14) и (15) используются при расчете режима сварки до совпадения Fnp и /■'„/ с заданной точностью. Коэффициент расплавления ар можно определить по зависимости [3]:
г
сср=сср +АссРг (16)
где ар '- составляющая коэффициента расплавления, определяемая тепловой мощностью дуги, при сварке на обратной полярности можно положить ар'& 12 г/А-ч; Aap— составляющая, зависящая от тепловложения в вылет электродной проволоки проходящим по нему током.
Величина Аар определяется в зависимости от параметров режима сварки и теплофизических свойств электродной проволоки. Применительно к сварке проволокой типа Св-08 Г2С имеем:
l_e-0,l-c2Ls 45
А ap=cj(---'-), (17)
с2 с3
где j -плотность тока в электродной проволоке, А/мм ; Le- вылет электрода, мм; С;= 0,00518; с2= -0,00406;/; с3= -0,59434. Скорость подачи электродной проволоки можно определить из соотношения:
PV„F3 =оср1св,
откуда получаем:
7,85 • F3
где Vn- скорость подачи, м/ч.
Зная коэффициент расплавления ар, можно определить коэффициент наплавки:
ан=ар(1-у/П00), (19)
где ^-коэффициент потерь электродного металла, %.
Тогда скорость сварки Vce (м/ч) можно определить из выражения FHpVce = 0Сн1св, откуда:
V„=aJJl&FH, (20)
где FH -площадь наплавленного металла, мм .
Исходя из условий формирования углового шва (рисунок) и экспериментальных данных, площадь наплавленного металла FH можно определить приближенно по формуле:
FH = 0,5/с2 + 1,05/с (21)
Если при сварке угловых швов используется покрытие для защиты поверхности от налипания брызг расплавленного металла, то рассчитанная по формуле (20) скорость сварки должна быть меньше предельной скорости, рассчитанной по формуле:
Vce=b0+blIce-b2S, (22)
где S = 8 ■ L ; S - толщина слоя защитного покрытия, мм; L - протяженность слоя защитного покрытия в поперечном сечении шва, мм; b0, b¡, b2- коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от марки покрытия.
Напряжение источника питания Uun представляет собой сумму падений напряжений на дуге Ud и вылете электродной проволоки Ue. Напряжение на дуге И,, рассчитывается по формуле (7). Падение напряжения на вылете можно рассчитать по формуле, полученной на основе экспериментальных данных:
Ue = 0,000864jLee°'om9S3 ]LJV" . (23)
По приведенным зависимостям выполнен расчет режима сварки в углекислом газе угловых швов по защитному покрытию. Были проведены исследования при сварке на технологически рекомендованных режимах для соединения металлов малых толщин как на контрольных пластинах, так и на реальных конструкциях в условиях заводов КЗМК, КЗТС (г. Краматорск). Установлено, что металл шва обладает высокими механическими характеристиками, а свойства сварных соединений определяются характеристиками основного металла. Характер плавления торца электродной проволоки стабильный. Металл шва получается плотным, поры, раковины, трещины и прочие дефекты отсутствуют. Фактический экономический эффект от внедрения результатов работы на предприятиях региона составил более 30,0 тыс.грн. (в ценах 2002 г). Оценить влияние защитных покрытий на технологию сварки порошковой проволокой и ручной дуговой сварки - задачи дальнейших исследований в этом направлении.
Выводы
Предложенная методика позволяет определить технологические параметры автоматической дуговой сварки в среде углекислого газа по защитным покрытиям. Рассмотренные режимы сварки обеспечивают получение качественных сварных соединений, обладающих высокими механическими характеристиками и отвечающих условиям эксплуатации сварных конструкций.
Перечень ссылок
1. Чигарев В.В. Методика выбора оптимального варианта инженерного решения на стадии ТЭО / В.В.Чигарев, В.Д.Кассов, И.В.Шевченко II Известия Академии инженерных наук Украины: Сб.научн.тр- Днепропетровск, 1999,- № 3,- С. 24-38.
2. Чигарев В. В. Термодинамические аспекты взаимодействия защитного покрытия и брызг электродного металла / В.В. Чигарев, И.В.Шевченко II Известия Академии инженерных наук Украины: Сб.научн.тр,- Днепропетровск, 1999,- № 4 - С. 58-62.
3. Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением. Л.И.Лкулов, Г.А.Белъчук, В.П.Демянцевич - М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.
4. Бабкин A.C. Разработка алгоритма расчета параметров режима сварки в углекислом газе на микро-ЭВМ /А.С.Бабкин, В.Е.Кривошея //Сварочное производство. - 1985. -№4 - С. 3-5.
Статья поступила 31.10.2002
