Влияние стабилизации дугового разряда на дефекты сварных соединений возникающих при изготовлении и эксплуатации горношахтного оборудования

© C.B. Макаров , 2012

С.В. Макаров

ВЛИЯНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА НА ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Рассмотрены основные дефекты возникаемые при изготовлении и эксплуатации горношахтного оборудования, влияние стабилизации дугового разряда на дефекты в сварных швах. Выделены основные причины их возникновения. Обращается внимание на связь между наличием дефектов и эксплуатационной безопасностью оборудования.

Ключевые слова: горношахтное оборудование, сварочные дефекты, металл шва, трещины, стабилизация дугового разряда.

Горная промышленность — основная сырьевая и топливная база современной индустрии, главный источник топлива, энергетики и других отраслей промышленности, сырья для черной, цветной и химической промышленности, для производства удобрений, строительных материалов. С учетом необходимости увеличения добычи угля, а так же значительного износа основных производственных фондов на угледобывающих предприятиях (60—75 %), основной задачей отрасли является повышение технического уровня угольного производства. Необходимо провести техническое перевооружение действующего шахтного и карьерного фондов, внедрения добывающей техники нового поколения.

Среди различных направлений научно-технического прогресса на открытых горных работах можно выделить приоритетные направления: переоснащение парка буровых станков новым поколением с увеличенным диаметром скважины; создание и широкомасштабное внедрение циклично-поточной и поточной технологии с конвейерным и комбинированным транспортом; создание и внедрение гидравлических карьерных экскаваторов; разработка нетрадиционного мобильного оборудования и технологий, обеспечивающих отработку породного и угольного массива без буровзрывной подготовки; комплексное развитие и совершенствование средств для механизации вспомогательных работ.

Поэтому, вопрос качества сварки изготовляемого горношахтного оборудования, безусловно, имеет важное значение. К факторам, вызывающим разрушения в несварных конструкциях, использование сварки добавляет факторы, связанные как с конструктивным оформлением сварных соединений, так и с технологией их изготовления.

Так, на стадии проектирования выбранный тип соединения предопределяет появление конструктивных концентраторов напряжений, а назначение метода и приемов сварки — появление характерных технологических дефектов, вероятность обнаружения и исправления которых в процессе изготовления будет определяться уровнем культуры производства. Естественно, эти концентраторы напряжений, как конструктивного, так и технологического характера, в условиях эксплуатации сварной конструкции становятся потенциальными источниками разрушений.

Из вышесказанного следует, что обеспечение надежности машин и конструкций, понимая под этим вероятность безотказной работы в эксплуатации до наступления предельного состояния разрушения, является особенно острой проблемой при наличии дефектов в сварных соединениях.

Источники разрушений в конструкциях сварных соединений, достаточно разнообразны.

Дефекты сварных соединений различают по причинам возникновения и месту их расположения (наружные и внутренние). В зависимости от причин возникновения их можно разделить на две группы. К первой группе относятся дефекты, связанные с металлургическими и тепловыми явлениями, происходящими в процессе образования, формирования и кристаллизации сварочной ванны и остывания сварного соединения (горячие и холодные трещины в металле шва и околошовной зоне, поры, шлаковые включения, неблагоприятные изменения свойств металла шва и зоны термического влияния).

Ко второй группе дефектов, которые называют дефектами формирования швов, относят дефекты, происхождение которых связано в основном с нарушением режима сварки, неправильной подготовкой и сборкой элементов конструкции под сварку, неисправностью оборудования, недостаточной квалификацией сварщика и другими нарушениями технологического процесса. К дефектам этой группы относятся несоответствия

швов расчетным размерам, непровары, подрезы, прожоги, наплывы, незаваренные кратеры и др.

Эти дефекты снижают прочность и ухудшают внешний вид шва. Причины их возникновения при механизированных способах сварки — колебания напряжения в сети, проскальзывание проволоки в подающих роликах, неравномерная скорость сварки из-за люфтов в механизме перемещения сварочного автомата, неправильный угол наклона электрода, протекание жидкого металла в зазоры, их неравномерность по длине стыка и т.п. Наплывы образуются в результате нате-кания жидкого металла на поверхность холодного основного металла без сплавления с ним. Они могут быть местными — в виде отдельных застывших капель, а также иметь значительную протяженность вдоль шва. Причины образования наплывов — большой сварочный ток, слишком длинная дуга, неправильный наклон электрода, большой угол наклона изделия при сварке на спуск.

Подрезы представляют собой продолговатые углубления (канавки), образовавшиеся в основном металле вдоль края шва. Они возникают в результате большого сварочного тока и длинной дуги. Основной причиной подрезов при выполнении угловых швов является смещение электрода в сторону вертикальной стенки. Это вызывает значительный разогрев металла вертикальной стенки и его стекание при оплавлении на горизонтальную стенку. Подрезы приводят к ослаблению сечения сварного соединения и концентрации в нем напряжений, что может явиться причиной разрушения.

Прожоги — это сквозные отверстия в шве, образованные в результате вытекания части металла ванны. Причинами их образования могут быть большой зазор между свариваемыми кромками, недостаточное притупление кромок, чрезмерный сварочный ток, недостаточная скорость сварки.

Непроваром называют местное несплавление кромок основного металла или несплавление между собой отдельных валиков при многослойной сварке. Непровары уменьшают сечение шва и вызывают концентрацию напряжений в соединении, что может резко снизить прочность конструкции. Причины образования непроваров — плохая зачистка металла от окалины, ржавчины и загрязнений, малый зазор при сборке, большое притупление, малый угол скоса кромок, недостаточный сва-

рочный ток, большая скорость сварки, смещение электрода от центра стыка.

Трещины, также как и непровары, являются наиболее опасными дефектами сварных швов. На образование трещин влияет повышенное содержание углерода, а также примеси серы и фосфора. Шлаковые включения, представляющие собой вкрапления шлака в шве, образуются в результате плохой зачистки кромок деталей и поверхности сварочной проволоки от оксидов и загрязнений. Они возникают при сварке длинной дугой, недостаточном сварочном токе и чрезмерно большой скорости сварки, а при многослойной сварке — недостаточной зачистке шлаков с предыдущих слоев. Шлаковые включения ослабляют сечение шва и его прочность

Причины пор — повышенное содержание углерода при сварке сталей, загрязнения на кромках, использование влажных флюсов, защитных газов, высокая скорость сварки, неправильный выбор присадочной проволоки. Поры могут располагаться в шве отдельными группами, в виде цепочек или единичных пустот. Иногда они выходят на поверхность шва в виде воронкообразных углублений, образуя так называемые свищи. Поры также ослабляют сечение шва и его прочность, сквозные поры приводят к нарушению герметичности соединений. Микроструктура шва и зоны термического влияния в значительной степени определяет свойства сварных соединений и характеризует их качество.

К дефектам микроструктуры относят следующие: повышенное содержание оксидов и различных неметаллических включений, микропоры и микротрещины, крупнозернистость, перегрев, пережог металла и др. Более опасен пережог — наличие в структуре металла зерен с окисленными границами. Такой металл имеет повышенную хрупкость и не поддается исправлению. Причиной пережога является плохая защита сварочной ванны при сварке, а также сварка на чрезмерно большой силе тока.

При стабильном горении дугового разряда при переносе электродного металла снижается разбрызгивание, происходит более интенсивное перемешивание металла в сварочной ванне, что обеспечивает удаление газообразных составляющих, тем самым образуется более равномерная структура сварного шва при кристаллизации, это обеспечивает снижение появления

различных дефектов и улучшает качество сварного соединения. Металлы и газы имеют свой потенциал ионизации в электрон-вольтах, который характеризует степень трудности отрыва («вырыва») электрона с его оболочки. Чем меньше число электрон-вольт у материала, тем легче «выбить» с оболочки электрон, и наоборот. Стабилизация обеспечивается более полной ионизацией газа в дуговом промежутке. Ионизация газов в дуге при сварке происходит частичная, так как для полной ионизации газа в дуговом промежутке требуется очень высокая температура — до 22000°С, а это уже плазменное состояние газа, когда одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц обеспечивает высокую электропроводность и высокую температуру. При сварке плавящимся электродом в столбе дуги содержатся пары электродного металла, имеющие, как правило, низкий потенциал ионизации, поэтому эффективный потенциал ионизации дугового разряда при сварке плавящимся электродом приближается к потенциалу ионизации металлических паров. Наименьшим потенциалом ионизации обладают калий, натрий, барий, литий, алюминий, кальций и др., поэтому для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов. Таким образом, электрическая проводимость воздушного промежутка между электродами, а отсюда и устойчивое горение дуги обеспечивается эмиссией катода и объемной ионизацией газов в зоне дуги, благодаря которым в дуге перемещаются мощные потоки заряженных частиц.

При сварке электродами с обмазкой (покрытием) температура в столбе дуги зависит от эффективного потенциала ионизации, величина которого близка по величине к наименьшему потенциалу ионизации одного из компонентов, участвующих в смеси дугового газа.

М. Саха вывел уравнение взаимосвязи температуры и потенциала ионизации:

X2

1 - X2

Р = 2,4 • 10-4 а 2Т5 7 2 ехр

вШ ИТ

где а1 — квантовый коэффициент; X — степень ионизации; Т — температура газа; вШ — энергия ионизации; Р — давление газа.

Как видно из уравнения, степень ионизации зависит от температуры, потенциала ионизации, а также прямопропор-циональна корню квадратному из давления.

Физический смысл уравнения Саха заключается в следующем: чем меньше потенциал ионизации элемента, тем при меньших температурах степень ионизации достигает 1.

Из приведенных данных следует, что при введении в атмосферу дуги небольших количеств веществ с низким потенциалом ионизации, эффективный потенциал ионизации смеси газов значительно снижается, и дуга горит стабильно, следовательно, повышается качество и безопасность сварного соединения.

Получение качественных и бездефектных сварных соединений в горношахтном оборудовании важно не только с технико-экономической точки зрения, но и с точки зрения безопасности работ, выполняемых на этом оборудовании.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Винокуров В.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. — Москва: Машиностроение, 1996. — 576 с

2. ГОСТ 15467—79 Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения

3. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. — Москва: Высш. шк., 1988. — 559с.

4. Галченко Ю.П., Трубецкой К.Н. Основы горного дела. — Москва: Академический проект, 2010. — 263 с.

5. Плакиткина Л. Анализ развития угольной промышленности в основных странах мира // Горная Промышленность. — 2011. -№2 (96). — с. 18.

6. Овчинников В.В. Контроль качества сварных соединений. — Москва: Академия, 2009. — 208с.

7. Аснис А.Е., Гутман Л.М. Сварка в смеси активных газов. — Киев: Наукова думка, 1982. — 216 с. ГГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Макаров Сергей Викторович — учебный мастер,

е-шаП: Sergmakarov21@mail.ru, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета.