Динамическое воздействие струи активного защитного газа на процессы в зоне сварки плавящимся электродом

Динамическое воздействие струи активного защитного газа на процессы в зоне сварки плавящимся электродом

Д.А. Чинахов, к.т.н., доцент Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета 652055, Россия, Кемеровская область, г. Юрга, ул. Ленинградская 26

тел. +7(38451) 77759 e-mail: chinakhov@tpu.ru

Рассмотрено динамическое воздействие струи защитного газа при сварке плавящимся электродом на процессы в зоне сварки и свойства сварных соединений из высокопрочной легированной стали 30ХГСА. Приведены результаты исследований динамического воздействия струи защитного газа на процессы сварки плавящимся электродом. Установлено, что способ сварки плавящимся электродом с двухструйной газовой защитой обеспечивает регулируемую газодинамику в зоне сварки и позволяет управлять переносом электродного металла, обеспечивает стабильные высокие механические свойства сварных соединений. Ключевые слова: сварка, защитный газ, свойства, легированная сталь.

Dynamic action of a jet of active protective gas on processes in the welding zone with a consumable electrode

D.A. Chinakhov, PhD., Assic. Prof.

Yurga Institute of Technology National Research Tomsk Polytechnic University 652055, Russian Federation, Kemerovo Oblast, Yurga, ul. 26 The Leningradskaya

tel. +7(38451) 77759 e-mail: chinakhov@tpu.ru

The author considers the dynamic action of the shielding gas jet during consumable electrode welding on the processes in the welding area and properties of the weld joints produced from alloyed high-strength steel 30HGSA. The results of the research on the dynamic action of the jet on the process of consumable electrode welding are provided. It was established that the method of consumable electrode welding with double-jet gas shielding ensures regulated gas dynamics in the welding area and allows controlling the electrode metal transfer, ensures stable high mechanic properties of the weld joints. Keywords: welding, shielding gas, properties, alloyed steel.

Защитный газ в основном используют для защиты зоны сварки от вредного воздействия воздуха, но при определенных условия он может быть инструментом управления процессами в зоне сварки и свойствами сварных соединений. Имеются ряд исследований [1-8] по изучению влияния потока защитного газа на процесс сварки плавящимся электродом, которые отмечают, что с увеличением скорости истечения газа происходит улучшение качества защиты зоны сварки, формирования сварного шва, стабильности процесса сварки, улучшение свойств металла шва.

Способ сварки плавящимся электродом с двухструйной газовой защитой обеспечивает регулируемую газодинамику в зоне сварки и при этом сила действия струи защитного газа на каплю электродного металла при двухструйной газовой защите в 12 раз больше, чем при одноструйной. С увеличением силы действия струи защитного газа на каплю электродного металла при двухструйной газовой защите возрастает частота и стабильность перехода капель в сварочную ванну за счет придания капле соосного с электродом положения и уменьшения хаотичного колебания капли.

Условия эксперимента: механизированная однопроходная сварка пластин из стали 30ХГСА сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм в СО2 стационарной дугой в нижнем положении с одноструйной (традиционный) и

двухструйной газовой защитой (разработанный), сварочный ток I = 195...200 А, вылет электродной проволоки L =12 мм, расход защитного газа Q = 20 л/мин, напряжение дуги U = 26...27 В, скорость сварки V = 25 см/мин.

Результаты анализа осциллограмм и кадров скоростной видеосъемки экспериментальных исследований (рис. 1) показали, что частота переноса капель при двухструйной защите по сравнению с традиционной одноструйной возрастает в среднем в 1,6 раза, при этом наблюдается уменьшение размера капель в среднем с 2,4 мм до 2,0 мм.

а) б)

Рис. 1. Осциллограммы и кадры скоростной видеосъемки: а) традиционная одноструйная газовая защита; б) двухструйная газовая

защита

С увеличением газодинамического воздействия струи активного защитного газа на процессы в зоне сварки происходит направленное изменение химического состава и структуры металла шва [2, 8], и как следствие, изменение эксплуатационных свойств сварных соединений. Также изменяется динамика сварочной ванны и при этом нужно рассматривать и учитывать два аспекта. Во-первых, непосредственное воздействие струи активного защитного газа на жидкий металл ванны вокруг сварочной дуги. Это приводит к увеличению жидкой прослойки под дугой, т.к. расплавленному металлу некуда деваться в ограниченном объеме твердым металлом, то он начинает подтекать под дугу и поднимать ее (рис. 2, б). Увеличение жидкой прослойки (Ь) приводит к уменьшению глубины проплавления (И).

Во втором случае, с увеличением действия струи защитного газа на каплю электродного металла при двухструйной газовой защите возрастает стабильность и частота перехода капель в сварочную ванну и уменьшается размер капель, т.е. уменьшается время нагрева изделия и уменьшается глубина проплавления.

а) б)

Рис. 2. Схема изменения глубины проплавления и величины жидкой прослойки под дугой в сварочной ванне: а) одноструйная газовая защита, б) двухструйная

газовая защита

Способ сварки с двухструйной газовой защитой обеспечивает более стабильные и высокие механические свойства (табл. 1). Металл шва становится более прочным при некотором снижении пластичности, что косвенно свидетельствует о более интенсивном перемешивании металла в сварочной ванне [2, 8].

Таблица 1

Результаты механических испытаний сварных образцов из стали 30ХГСА

Способ сварки Временное сопротивление разрыву, МПа Предел текучести, МПа Ударная вязкость, Дж/см2 при +20 °С, с надрезом Твердость Относительное удлинение, % Относительное сужение, %

по центру шва по ЗТВ Шва, Н^В ЗТВ, ИКС

Традиционный 540...640 435.535 138.150 121.163 86.90 22.23 11.13 64.66

Двухструйный 750...790 590.610 88.126 106.176 93.98 24.26 13.14 59.60

На сварных образцах провели химический анализ металла шва (табл. 2).

Таблица 2

Химический состав основного металла, сварочной проволоки и металла шва _сварных образцов_

Материал Массовая доля элементов, %

С Мп Б! Б Р Сг Ы!

Основной металл 30ХГСА 0,28.0,34 0,8.1,1 0,9.1,2 < 0,025 < 0,025 0,8.1,1 -

Сварочная проволока Св-08Г2С 0,05.0,11 1,8.2,1 0,7.0,95 < 0,025 < 0,03 < 0,2 < 0,25

Металл шва образцов традиционной технологии 0,18 1,29 0,78 0,008 0,02 0,52 0,12

Металл шва образцов разработанной технологии 0,18 1,2 0,75 0,008 0,02 0,57 0,12

При сварке с двухструйной газовой защитой увеличивается содержание хрома на 0,05%. Это свидетельствует о том, что при сварке с двухструйной газовой защитой перемешивание основного и электродного металла в сварочной ванне происходит более интенсивно. Снижается количество марганца на 0,09 % и кремния на 0,03 %. Это объясняется тем, что интенсивное газодинамическое воздействие на каплю расплавленного электродного металла при сварке с двухструйной газовой защитой приводит к увеличению частоты переноса капель, уменьшению размера капель и увеличению их поверхностной активности [2, 8].

Установлено, что при сварке плавящимся электродом с двухструйной газовой защитой скорость истечения газа из сварочного сопла оказывает значимое влияние на процессы в зоне сварки, позволяет управлять переносом электродного металла, химическим составом металла сварного шва, стабилизировать процесс сварки, обеспечивает стабильные высокие механические свойства сварных соединений.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №16-19-10010).

Список литературы

1. Новожилов М.Н. Основы металлургии дуговой сварки в газах. - М.: Машиностроение. - 1979. - 231 с.

2. 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.

3. Федоренко Г.А., Иванова И.В., Синяков К.А. Совершенствование технологического процесса сварки в защитных газах на ветру // Сварочное производство. - 2010. - №1. - С. 6-13.

4. Грибовский Г., Кравчук Б., Ленивкин В.А. Влияние двухслойного кольцевого потока защитных газов на процесс сварки плавящимся электродом // Сварочное производство. - 1996. - №4. - С. 6-8.

5. Ramsey G.M., Galloway A.M., Campbell S.W., McPherson N.A., Scanlon T.J. A computational fluid dynamic analysis of the effect of side draughts and nozzle diameter on shielding gas coverage during gas metal arc welding. (2012) Journal of Materials Processing Technology, 212 (8), pp. 1694-1699.

6. Kang B Y., Prasad Y.K.D.V., Kang M.J., Kim H.J., Kim I S. Characteristics of alternate supply of shielding gases in aluminum GMA welding. (2009) Journal of Materials Processing Technology, 209 (10), pp. 4716-4721.

7. Ley F.H., Campbell S.W., Galloway A.M., McPherson N.A. Effect of shielding gas parameters on weld metal thermal properties in gas metal arc welding. (2015) International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 80 (5-8), pp. 1213-1221.

8. Чинахов Д.А. Влияние расхода активного защитного газа и сварочного тока на содержание марганца и кремния в металле сварного шва // Тяжелое машиностроение. - 2013. - №8. - С. 39- 44.