О качестве сварных швов, полученных после плазменной резки

Таким образом, сравнение стоимости приведенного выше сварочного оборудования показывает экономическую эффективность модернизации уже имеющегося оборудования.

Вывод

Развитию производства и повышению его конкурентоспособность может способствовать реализация такого стратегического направления промышленной политики, как импортозамещение. В работе представлен пример модернизации сварочного оборудования в свете решения по приоритетному направлению импортозамещения, относящемуся к основной стратегической задаче инновационного развития России до 2020г.

Список литературы

1. Ю.В. Неёлов. Перспективы импортозамещения в Российской Федерации, // Аналитический вестник. 2015. № 27 (545). С. 4-7.

2. Мау В.А., Улюкаев А.В. Глобальный кризис и тенденции экономического развития // Вопросы экономики, № 11, 2014.

3. В.А. Кулагин, Д.А. Грушевенко, Е.О. Козина. Эффективное импортозамещение // Энергетика и геополитика. 2015. № 1. С. 49-57.

4. Ю.В. Вертакова, В.А. Плотников. Перспективы импортозамещения в высокотехнологичных отраслях промышленности. // Аналитический вестник. 2015. № 27 (545). С. 7-20.

5. Князьков А.Ф., Крампит Н.Ю., Крампит А.Г. Усовершенствование процесса сварки при модернизации оборудования // Ремонт, восстановление и модернизация оборудования. 2009г. №9. С. 7-9.

6. Князьков А.Ф., Крампит Н.Ю., Петриков А.В. Способ импульсно-дуговой сварки / Патент на изобретение № 2133660 от 27.07.99г.

7. Князьков А.Ф., Федько В.Т., Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Князьков В.Л., Князьков С.А. Искусственная формирующая линия в силовой части модулятора ИРС-1200АДМ // Ремонт, восстановление, модернизация. 2003г. №12. С. 28-30.

8. Лебедев В.А., Кузьмин С.А., Новгородский В.Г., Пичак В.Г. Управление процессом механизированной сварки в углекислом газе с использованием параметров переноса электродного металла // Сварочное производство. 2002. №5. С. 6-14.

9. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Князьков С.А. Особенности импульсного управления процессом сварки в СО2 длинной дугой // Автоматизация и современные технологии. 2002г. №9. С. 12-15.

10. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Князьков С.А., Проняев А.Б. Исследования влияния параметров импульсов на формирование шва при импульсном питании сварочной дуги // Автоматизация и современные технологии. 2004г. №2. С. 3-8.

11. Князьков А.Ф., Крампит Н.Ю., Крампит А.Г., Князьков С.А. Совершенствование процесса импульсно-дуговой сварки в СО2 в щелевую разделку // Сварочное производство. 2004г. №1. С. 36-38.

12. Крампит Н.Ю., Крампит А.Г. Схема воздействия импульсного питания сварочной дуги на структуру формирующегося сварного соединения // Вопросы материаловедения. 2003г. №2(34). С. 45-51.

13. Щербаков А.И.Совокупная производительность труда и основы её государственного регулирования. Монография. М.- М.: Издательство РАГС. - 2004. - С. 15.

С.В. Анахов, к.ф.-м.н, доц., 2Ю.А. Пыкин, д.т.н., проф., 3А.В. Матушкин 1Российский государственный профессионально-педагогический университет,

sergej.anahov@rsvpu.ru 2Уральский государственный лесотехнический университет, yappoligon@mail.ru 3Уральский федеральный университет, 227433@rambler.ru

О качестве сварных швов, полученных после плазменной резки

УДК 620.18:621.791

В настоящее время применение плазмотронов в сварочных технологиях, в основном, связано с разделкой металлов для последующей сварки. При этом для разделки металлов малых (до 10 мм) толщин преимущественно используется лазерная резка, а плазменная резка под сварку сопровождается дополнительными операциями по механическому удалению образующейся при резке зоны термического влияния (ЗТВ), удорожающими процесс [1].

Существенного эффекта снижения ширины реза, улучшения его качества, повышения эффективности,

материало- и энергоемкости процесса удалось добиться после появления в последние 10 лет технологии так называемой «точной», «сжатой» или «узкоструйной» плазмы [2]. Подобные технологии, разрабатывавшиеся еще в СССР, впервые были внедрены у зарубежных производителей (Hyperterm, Kjellberg, Messer Greisheim) [3] и сделали плазменную резку конкурентом лазерной резки при разделке тонколистового металла. Следует заметить, что в отличие от традиционных одноконтурных металлорежущих плазмотронов двухконтурные

ПМВР-М

ПМВР-2М

ЮеИЬегд PB-S-45W

узкоструйные импортные плазмотроны фактически не имеют конкуренции на отечественном рынке. Научно-техническое отставание по показателям энергоэффективности и производительности наблюдается и в сравнении традиционных одноконтурных отечественных плазмотронов с импортными.

В целях преодоления данного научно-технологического отставания авторами было разработано несколько модификаций узкоструйного плазмотрона ПМВР-5 для резки металлов, а также предложена новая улучшенная модель одноконтурного плазмотрона ПМВР-2М, сконструированных с учетом сформулированных авторами принципов и методов проектирования [4]. Модернизация систем газовихревой стабилизации дуги в разработанных авторами плазмотронах позволила снизить неравномерность распределения скоростей газового потока в завихрителе и сопловом узле плазмотронов и существенно повысить эффективность тепловложения и улучшить качества реза. Для подтверждения эффективности применения новых плазмотронов был проведен сравнительный микроструктурный анализ сварных соединений, полученных с применением технологий плазменной и механической резки металлов под сварку. В качестве дополнительного критерия проведен анализ твердости по Викерсу в каждой зоне шва.

В качестве объектов сравнительного анализа были выбраны образцы со сварными соединениями, полученные после резки плазмотронами разных марок (рис.1):

1) с одноконтурной схемой подачи газа:

ПМВР-М - базовый одноконтурный плазмотрон

(производитель ООО НПО «Полигон», разработка 10П15-летней давности);

ЮеИЬегд PB-S-45W (Германия) - популярная модель плазмотрона одного из ведущих мировых производителей;

ПМВР-2М - новая модель одноконтурного плазмотрона для воздушно-плазменной резки с оптимизированной системой газовихревой стабилизации (производители - ООО НПО «Полигон» и ООО «ТЕРУС»);

2) с двухконтурной схемой подачи газа:

ПМВР-5.3 - одна из модификаций отечественной

модели узкоструйного двухконтурного плазмотрона (производители - ООО НПО «Полигон» и ООО «ТЕРУС»), использующего принцип дополнительного обжатия плазменной дуги потоком газа вторичного (стабилизирующего) контура.

В качестве материала исследования была выбрана широко применяемая при изготовлении сварных изделий конструкционная низколегированная сталь 09Г2С в виде листовых заготовок листа 10 мм -один из основных материалов в производстве трубного проката. Резка под сварку в процессе эксперимента производилась с разделкой кромок под углом 600. Технологические режимы резки - в таблице1.

ПМВР-5.3

Рис.1. Внешний вид плазмотронов для резки металла под сварку

0 - диаметр сопла, V - скорость резки, Р -давление плазмообразующего газа (ПОГ) на входе в плазмотрон.

После резки и подготовки шва без удаления ЗТВ поверхностей реза производилась его механизированная сварка с использованием сварочной омедненной проволоки ОК-Аи^^ 12.51 (аналог 1,2 Св-08Г2С-О) в защитном газе К18 (18% СО2, 82% Аг). Сварку контрольных пластин выполняли согласно требованиям представленным в РД 153-006-02 и STO_ Gasprom 2-2.2-136-2007 (Инструкция по технологии сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов). Режимы сварки - 17В, 120А (1-й проход, корень шва), 19В, 150А (2-й проход, заполняющий), 19В, 150А (3-й проход, лицевой).

Микроструктурный анализ сварных швов (см. рисунки таблицы 2) заключался в изучении поверхности протравленных микрошлифов с помощью микроскопа NEOPHOT 21 при увеличениях от 50 до 800 крат. Травление производилось 4%-ным раствором

Таблица 1

Режимы резки образцов для сварки

№ серии Плазмотрон Режим резки

0, мм I, А и, в V, м/мин Р, МПа

1 ПМВР-М 2,5 105 200 0,54 0,45

2 ^еПЬегд S-45 1,4 90 140 0,85 0,5

3 Механическая резка - - - - -

4 ПМВР-2М 2 80 180 0,5 0,5

5 ПМВР-5.3 1,6 90 140 1,3 0,5

азотной кислоты в этиловом спирте. Идентификация микроструктуры стали проводилась по ГОСТ 8233-56, определение размера зерна - по ГОСТ 5639-82.

Анализ основы разрезаемого металла - стали 09Г2С - выявил типичную для этой марки феррито-перлитную структуру со скрытопластинчатым перлитом (межпластинчатое расстояние 0,3 мкм). Размер зерен составил 11 мкм, соотношение перлит/феррит (далее по тексту п/ф) = 35/65. Исследования сварных соединений показали, что они состоят из зоны собственно сварных швов (далее по тексту СШ) и прилегающих к ним зон термического влияния (ЗТВ), нагретых, но не расплавившихся во время сварки. Для СШ характерна свойственная для всех видов термической сварки [5, 6] структура с равноосными зернами в центре размерами от 20 до 35 мкм и вытянутыми вдоль направления теплоотвода на периферии. Высокие скорости охлаждения в материале шва обуславливают незавершенность фазовых превращений, из-за чего доля перлита в материале СШ оказалось довольно малой для всех исследованных сварных соединений (см. рисунки в табл. 2). В донной части размеры зерен минимальны, а в верхней - максимальны.

В материале ЗТВ на всех исследованных образцах наблюдаются отличия от основного металла. Непосредственно к СШ примыкают зоны крупнокристаллической структуры толщиной до 0,2 мм со структурой сорбитообразного перлита (п/ф - 85/15) для образцов № 1 и 2иточечного перлитадля образцов № 3, 4 и 5. Максимальные размеры зерна зафиксированы в пределах 60 мкм наряду с полным отсутствием видманштеттовой структуры, что позволяет ожидать достаточно высоких значений прочности полученных сварных соединений. По мере удаления от границы между СШ и ЗТВ зерно измельчается, становится даже меньше, чем в стали-основе. В образцах № 1 и 2 материал ЗТВ имеет феррито-перлитную структуру с соотношением п/ф = 75/15 и скрытопластинчатым перлитом с межпластинчатым расстоянием 0,3 мкм, размер зерна составляет 2,7 мкм. В образцах № 3, 4 и 5 феррито-перлитная структура (п/ф = 85/15) с зернистым перлитом, диаметр зерен перлита менее 0,25 мкм. Это свидетельствует о том, что в стали произошла нормализация. Увеличение доли перлита в структуре ЗТВ по сравнению с основой связано с перекристаллизацией и высокими скоростями охлаждения после сварки за счет теплоотвода через

материал соединяемых пластин.

С точки зрения прочностных свойств материала соединения предпочтительно получение зернистого перлита со средним диаметром зерен цементита не более 1,2 мм, что соответствует 5 баллу шкалы 2 ГОСТ 8233-56. Зернистый перлит минимального диаметра зерен цементита был зафиксирован в материале СШ и ЗТВ образцов № 3, 4 и 5. Для материала СШ и ЗТВ образцов № 1 и 2 характерен пластинчатый перлит с минимальными значениями межпластинчатого расстояния (соответствуют 1 и 2 баллам по шкале 1 ГОСТ 8233-56), что, как известно [5,7], также гарантирует сочетание высоких прочностных свойств с высокими показателями ударной вязкости.

Измерение твердости проводили по Викерсу с нагрузкой на индентор 98 Н в соответствие с ГОСТ 299975 и ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007. В каждой зоне сварного соединения выполняли не менее трех отпечатков (для сварного шва, зон термического влияния и основного металла - с двух сторон от оси шва). Анализ результатов измерений твердости в различных зонах сварных соединений свидетельствует о соответствии всех исследованных образцов требованиям СТО Газпром 2-2.4-083 (HV10<255 для металла шва и HV10<300 для ЗТВ). При этом наиболее качественные (по показателям отличия от средних значений и твердости основного металла) швы достигнуты при сварке образцов, полученных резкой новыми плазмотронами ПМВР-2М и ПМВР-5.3. Значения твердости по высоте сварных швов, полученных по режимам № 4 и 5, практически одинаковы, что позволяет ожидать равную прочность материала этих соединений по всей ширине пластины. Качество данных швов по показателям твердости не уступает показателям, достигаемым после механической резки, и характеризуется отсутствием микродефектов в виде пор, наблюдаемых на границе шва и ЗТВ у образца № 3.

Характер распределения значений твердости по ширине исследованных сварных соединений показывает, что максимальной твердостью, приблизительно равной твердости стали-основы, обладает материал СШ образца, полученного по режиму № 4, а минимальные различия по значением этой характеристики соответствуют образцу № 5.

Анализ полученных данных свидетельствует, что все исследованные сварные швы по микроструктуре

Таблица 2

Микроструктура материала сварных соединений стали 09Г2С

№ образца Микроструктура материала зон сварных соединений

Основа ЗТВ СШ

1 2 5 ННЧ

2

3

4

5

удовлетворяют нормативным требованиям, предъявляемым к стали марки 09Г2С (ширина облицовочного слоя шва - 11-14 мм при норме 14-24 мм, а внутреннего слоя шва - 9-13 мм при норме 14±2 мм). Так как качество исследованных швов полученных, как после плазменной, так и после механической разделки, сопоставимо применение плазменных методов разделки проката при производстве сварных конструкций возможно без механического удаления ЗТВ. Микроструктурный анализ позволяет также ожидать достаточно высокие прочностные свойства, особенно ударной вязкости и трещиностойкости, достигаемые на швах, полученных при механической резке и разделке новыми (ПМВР-2М и ПМВР-5.3) плазмотронами.

Исследования по показателям твердости сварных соединений также свидетельствуют о преимуществах достигаемых при сварке образцов, полученных резкой новыми плазмотронами ПМВР-2М и ПМВР-5.3. Данные

преимущества, по всей видимости, достигаются за счет снижения энергоемкости процессов резки и улучшенной стабилизации дуги по сравнению с базовым одноконтурным плазмотроном, а также более высокой скорости резки (особенно узкоструйным плазмотроном ПМВР-5.3). Можно также отметить, что сварные соединения, полученные после резки новыми отечественными плазмотронами, имеют преимущества по отдельным показателям качества перед сварными швами, полученными плазмотроном Kjellberg PB-S-45W, что позволяет сделать вывод об эффективности использованных при их разработке новых конструктивных решений.

Список литературы

1. Пыкин Ю.А. Об эффективности применения плазменных технологий в разделке трубного проката / Ю.А. Пыкин, С.В. Анахов, И.Ю. Пышминцев, Д.В. Овчинников, В.А. Елькин // Производство проката. - 2014. - №1. -С.38-45.

2. Кайдалов А.А. Современные технологии термической и дистанционной резки конструкционных материалов. - К.: Экотехнология, 2007, 456 с.

3. V. Krink, H. Simler, F. Laurisch. Plasmaschneidtechnologie - Erweiteung wirtschaftlicher Anwendungsgebiete// ICCT 2006: Internationale Schneidtechnische Tagung; Vorträge der gleichnamigen Konferenz; [Hannover, 10. und 11. Oktober 2006] 176 S. - S.18-25.

4. Анахов С.В. Принципы и методы проектирования в электроплазменных и сварочных технологиях: учебное пособие. - Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2014, 144 с.

5. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. - М.: Наука, 1965, 336 с.

6. Лямбер Н., Герди Т., Хабаркен Л. Металлография железа: справочное изд.- М.: Металлургия, 1985,

248 с.

7. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1978, 648 с.