Газодинамическое влияние на микротвердость и геометрию шва при сварке в условиях двухструйной газовой защиты

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.791.03

Д.А. Чинахов

ЧИНАХОВ ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Юргинского технологического института (филиала) Национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Юрга). E-mail: chinakhov@tpu.ru

ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ И ГЕОМЕТРИЮ ШВА ПРИ СВАРКЕ В УСЛОВИЯХ ДВУХСТРУЙНОЙ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ

Рассмотрено газодинамическое влияние при сварке плавящимся электродом в условиях двухструйной газовой защиты на микротвердость и геометрию шва однопроходных сварных соединений из стали 30ХГСА. Разработаны их зависимости от выбранных управляемых параметров сварки (Q, L, I). Установлено управляющее влияние газодинамического воздействия струи активного защитного газа на формирование сварных соединений из легированной стали 30ХГСА.

Ключевые слова: газодинамическое влияние, двухструйная газовая защита, зависимость, сварной шов, микротвердость.

The gasodynamic effect on the microhardness and geomentry of the weld when welding under the conditions of two-jet gas protection. Dmitry A. Chinakhov (Yurga Institute of Technology (branch) of National Research Tomsk Polytechnic University).

The article deals with the gasodynamic effect which the welding with consumable electrode under the conditions of two-jet gas protection has on the microhardness and geomentry of one-pass welded joints of 30ХГСА steel. Their dependence on the chosen controlled modes of welding have been determined (Q, L, I). The decisive effect that the gasodynamic jet of the actively protected gas has on the formation of welded joints of the 30ХГСА alloyed steel has been discovered.

Key words: gasodynamic effect, two-jet gas protection, dependence, welded joint, micro-hardness.

Спрос на применение сварных конструкций из высокопрочных легированных сталей постоянно увеличивается не только в машиностроении, но и в добывающих отраслях. ОАО «Газпром» обозначил для себя основные направления развития сварочного производства, одним из которых является развитие и углубление новых исследований в области свариваемости высокопрочных трубных сталей [2].

Легированные стали, обладающие высоким комплексом эксплуатационных свойств, используются для производства ответственных сварных конструкций [3, 8]. Они обеспечивают высокую прочность конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Однако под воздействием термического цикла сварки в зоне термического влияния (ЗТВ) сварных соединений формируются закалочные структуры, характеризующиеся большими

© Чинахов Д.А., 2013

значениями твердости при низких значениях вязкости. Поэтому на ЗТВ приходится наибольшая доля образующихся в процессе сварки холодных трещин [11].

Технологии изготовления сварных конструкций из легированных сталей, склонных к закалке и образованию холодных трещин, усложняются, увеличивается и количество дорогостоящих компонентов, входящих в сварочные материалы, но в то же время конкретных общепризнанных достижений в решении проблемы предотвращения образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей до сих пор нет.

Существуют различные пути повышения эксплуатационных свойств сварных соединений из легированных сталей и их сопротивления образованию холодных трещин при сварке. Например, уменьшение уровня высокотемпературной химической микронеоднородности (ВХМН), структурной и механической неоднородности в зоне сплавления и металле сварного шва за счет интенсивного перемешивания электродного металла с основным [2]. Такому перемешиванию способствует увеличение времени пребывания металла сварочной ванны в жидком состоянии, но в то же время увеличивается вероятность насыщения металла шва водородом, что приводит к его охрупчиванию [3].

Сократить время пребывания металла сварочной ванны в жидкой фазе и одновременно увеличить скорость его перемешивания можно при помощи импульсно-динамических воздействий, например управления переносом электродного металла в сварочную ванну [47] или управления воздействием газозащитной средой [9, 12].

Цель работы - определить газодинамическое влияние при сварке плавящимся электродом в условиях двухструйной газовой защиты на микротвердость и геометрию шва однопроходных сварных соединений из стали 30ХГСА.

Механизированную однопроходную сварку пластин из стали 30ХГСА размером 150 х 300 мм толщиной 8 мм сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм в СО2 выполняли стационарной дугой с двухструйной газовой защитой без предварительного подогрева и последующей термообработки. Управляемые параметры варьировали на двух уровнях: сварочный ток 1св1 = 170 A и 1св2 = 200 А, вылет электродной проволоки Ll = 8 мм и L2 = 14 мм, расход защитного газа Q1 = 15 л/мин и Q2 = 20 л/мин (табл. 1). Напряжение дуги Ид = 26.. .27 В, скорость сварки Усв = 25.. .26 см/мин. Источник питания ВСЖ-303 У3.1, автоматическая сварочная головка ГСП-2, блок управления автоматической сваркой БАРС-2Б.

Таблица 1

Матрица планирования полного факторного эксперимента

Наименование управляемого параметра № опыта

1 2 3 4 5 6 7 8

1. Расход защитного газа Q, л/мин (± 0,5) 15 20 15 20 15 20 15 20

2. Вылет электродной проволоки Ь, мм (± 0,5) 8 8 14 14 8 8 14 14

3. Сварочный ток 1св, А (± 2) 170 170 170 170 200 200 200 200

Распределение микротвердости в сечении сварных соединений измеряли по линиям, расположенным на расстоянии 2, 4, 6 мм от верхней поверхности сварных образцов, на микротвердомере Бигашт-5 (рис. 1, 2).

Глубина, мм

Рис. 1. Макрошлиф

Анализ распределения микротвердости в сечениях сварных соединений показал, что наблюдается увеличение микротвердости в ЗТВ, особенно на расстоянии У=2 мм от верхней поверхности образцов. Значение микротвердости по центру металла шва всех образцов примерно одинаковое и оставляет около 300-330 Н, которое также примерно совпадает с микротвердостью основного металла около 270-300 Н.

Для установления регрессионной зависимости микротвердости ЗТВ однопроходных сварных соединений из стали 30ХГСА от управляемых параметров режима сварки Ь, 1сВ) взяли максимальные значения микротвердости по обе стороны от оси шва по линии У = 2 мм. Управляемые параметры в зависимостях представлены в виде безразмерных величин (х1 - Q, х2 - Ь, х3 - 1св), изменяющихся в диапазоне от -1 до +1 (относительная погрешность вычислений не превышает 8%):

Н тах_ 2

№ опыта

Микротвердость, Н

1

8

Рис. 2. Распределение микротвердости в сечениях сварных соединений, полученных по режимам сварки 1 и 8 опытов матрицы планирования ПФЭ

Анализ распределения микротвердости в сечении сварных соединений из стали 30ХГСА показал, что максимальное значение микротвердости ЗТВ зависит от вылета электрода. Уменьшение вылета электрода приводит к увеличению микротвердости. Это можно объяснить повышением плотности и скорости истечения защитного газа (при одном и том же расходе), что приводит к возрастанию скорости охлаждения металла под сварочным соплом и, соответственно, увеличению микротвердости в ЗТВ [10].

Микроструктура зон сварных соединений, полученных по режимам сварки 1 и 8 опытов матрицы планирования ПФЭ (табл. 1), представлена на рис. 3.

Анализ микроструктуры в комплексе с анализом распределения микротвердости показал, что выбранные управляемые параметры режима сварки (О, Ь, ¡св) сильно влияют на микроструктуру сварного шва и ЗТВ, а также на ее протяженность.

Участок 1 8

Шов И

ЗТВ 3 мм от оси шва йя

ЗТВ 4 мм от оси шва и ¡¡ц

ЗТВ 6 мм от оси шва ИИ Ш-

Рис. 3. Микроструктура в зонах сварных соединений, полученных по режимам сварки 1 и 8 опытов матрицы планирования ПФЭ, по линии Y = 2 мм

На полученных сварных образцах провели измерение геометрических размеров сварных швов (Е - ширина шва, g - усиление шва, И - глубина проплавления) (табл. 2).

Таблица 2

Осредненные геометрические размеры сварных швов

№ опыта Е, мм мм И, мм

1 9 2 4

2 9,5 2,5 3

3 9 2,5 3,5

4 10 2,5 3,5

5 9,1 3 4

6 11 2,5 3,5

7 9 3 4

8 10 2,5 3,5

По результатам исследований были разработаны многофакторные зависимости геометрических размеров однопроходных сварных швов (Е, g, ^ от управляемых параметров сварки в условиях двухструйной газовой защиты, в которых эти параметры представлены в виде безразмерных величин (х1 - Q, х2 - Ь, х3 - 1св), изменяющихся в диапазоне от -1 до +1. Относительная погрешность вычислений не превышает 10%:

1. Регрессионная зависимость ширины сварного шва (мм) от управляемых параметров:

Е = 9,6 + 0,55  х + 0,2  х3 + 0,175  х  х - 0,2  х  х - 0,175  х  х  х.

2. Регрессионная зависимость усиления сварного шва (мм) от управляемых параметров:

g = 2,523 + 0,181  х - 0,188  х  х

3. Регрессионная зависимость глубины проплавления сварного шва (мм) от управляемых параметров:

И = 3,6 - 0,225  х + 0,15  х + 0,15  х  х - 0,15  х  х  х.

Значительное влияние на все геометрические размеры однопроходных сварных швов (Е, g, ^ соединений из стали 30ХГСА (в условиях данного опыта) оказывают сварочный ток, расход защитного газа и их совместное действие, а также совместное действие трех факторов одновременно Ь, 1св). Также отмечено значительное влияние вылета электрода в сочетании с расходом защитного газа и сварочным током на ширину шва и глубину проплавления.

Для проверки разработанных регрессионных зависимостей выполнили сварку образцов на следующих режимах: сварочный ток 1св = 185.190 А, скорость сварки У = 25.26 см/мин, расход защитного газа Q =17 л/мин, вылет электродной проволоки Ь =11 мм, напряжение дуги ид = 26.27 В. Измерили геометрические размеры сварных швов, рассчитали их по разработанным зависимостям для выбранных проверочных режимов сварки и определили погрешность (табл. 3).

Таблица 3

Расчетные и экспериментальные значения геометрических размеров сварных швов

Значение Проверочный эксперимент Расчет по разработанной зависимости Погрешность абсолютная

Ширина, мм 9,5 9,51 0,01

Усиление, мм 2,3 2,53 0,23

Глубина проплавления, мм 3,4 3,69 0,29

Итак, установлено, что газодинамическое воздействие при сварке с двухструйной газовой защитой оказывает значимое влияние на структурно-фазовое состояние, распределение микротвердости в поперечном сечении сварных соединений и геометрию сварного шва, т.е. позволяет управлять эксплуатационными свойствами сварных соединений из легированных сталей, склонных к закалке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вышемирский В.Е. Состояние и основные направления развития сварочного производства ОАО «Газпром» // Сварка и диагностика. 2009. № 1. С. 16-19.

2. Елагин В.П., Снисарь В.В., Савицкий М.М., Гордань Г.Н., Васильев В.Г., Дорошенко Л.К. Химическая и структурная неоднородности в зоне сплавления низкоуглеродистой стали с аусте-нитным швом при сварке в защитных газах //Автоматическая сварка. 2001. № 4. С. 8-13.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.

4. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение, 1989. 264 с.

5. Патон Б.Е., Воропай Н.М., Бучинский В.Н. и др. Управление процессом дуговой сварки путем программирования скорости подачи электродной проволоки // Автоматическая сварка. 1977. № 1. С. 1-5.

6. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М.: Машиностроение. 1974. 240 с.

7. Сараев Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. Новосибирск: Наука, 1994. 108 с.

8. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. 1. Свариваемость материалов: справ. изд./ под ред. Э.Л. Макарова. М.: Металлургия, 1991. 528 с.

9. Федько В.Т., Киянов С.С., Шматченко В.С., Сапожков С.Б. Применение двухструйных сопловых устройств для сварки в среде защитных газов // Автоматизация и современные технологии.2003.№ 3. С. 12-18.

10. Чинахов Д.А., Давыдов А.А. Влияние технологических параметров сварки плавлением на распределение микротвердости в соединениях из стали 30ХГСА // Сборник трудов Международ. науч.-практ. конф. с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» / ЮТИ ТПУ. Томск: Изд-во Том. политех. ун-та, 2010. С. 53-56.

11. Чинахов Д.А., Сараев Ю.Н., Федько В.Т., Брунов О.Г. Сравнительный анализ способов дуговой сварки закаливающихся сталей в щелевую разделку // Изв. Том. политех. ун-та. 2006. Т.309.№ 2. С. 192-195.

12. Штрикман М.М., Павлов А.С., Сабанцев А.Н., Егоров В.Н. Дуговая сварка с воздействием на сварочную ванну направленных газоструйных потоков // Сварочное производство. 1999. № 12.С. 3-6.