Анализ влияния газодинамических процессов и режимов наплавки на геометрию наплавленного валика

автоматического оборудования / Лебедев В.А., Сараев Ю.Н. // Сварочное производство. - 2015. - № 5. - с. 34-44.

31. Сараев Ю.Н. Опыт разработки и практического применения адаптивных импульсно-дуговых методов сварки для строительства и ремонта магистральных трубопроводов // Вопросы материаловедения. - 2015. - № 1. - с. 210-219.

32. Патон Б.Е. Критический анализ существующих представлений о саморегулировании

дуги при сварке плавящимся электродом / Б.Е. Патон, В.С. Сидорук, С.Ю. Максимов, Ю.Н. Сараев // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2015. - Т.3, №4. - с. 38-47.

33. Сараев Ю.Н., Кректулева Р.А., Шпигунова О.И. Компьютерное конструирование адаптивных импульсных технологических процессов. - В кн.: Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. В 2 т. / Панин В.Е., Макаров П.В., Псахье С.Г. и др. - г. Новосибирск:

УДК 621.791.55

Анализ влияния газодинамических процессов и режимов наплавки на

геометрию наплавленного валика

Д.А. Чинахов, к.т.н., доцент, Е.И. Майорова, аспирант, Е.Г. Григорьева, ассистент

Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета

chinakhov@tpu.ru

Рассмотрено влияние режимов сварки и скорости истечения газа на геометрию наплавленного валика при наплавке порошковой проволокой. Приведены сравнительные результаты. Даны практические рекомендации для возможного управления формой валика при ремонте деталей наплавкой.

Ключевые слова: наплавка, порошковая проволока, наплавленный валик, восстановление.

Внастоящеевремясваркаинаплавкапорошковой проволокой широко применяется во многих странах мира, и являются наиболее перспективными дуговыми процессами для соединения металлов, восстановления изделий и придания им необходимых свойств.

Порошковая проволока является

высокопроизводительным электродным материалом, позволяющим решать широкий круг задач [1]. Порошковая проволока обеспечивает мягкое стабильное горение дуги, мелкокапельный перенос и минимальное разбрызгивание электродного металла, отличное формирование шва. Поверхность шва гладкая и блестящая. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами в широком диапазоне режимов сварки, чем выгодно отличается от проволок сплошного сечения. При сварке порошковыми проволоками обеспечиваются более высокие механические свойства металла шва (ударная вязкость, пластичность), чем при сварке сплошной проволокой [2].

Целью работы являлось исследование влияний газодинамических процессов и режимов наплавки на геометрию наплавленного валика.

Исследованию управления геометрией наплавляемого валика при сварки в СО2 проволокой сплошного сечения посвящено значительное число работ [3-6], однако вопросы управления этим процессом порошковой проволокой изучены недостаточно [7-8].

Для определения влияние газодинамики и режимовнаплавкиодноструйнойидвухструйнойгазовой защиты на геометрию шва при сварке плавящимся

электродом в С02 был проведен эксперимент на реальном объекте исследования. Во время проведения эксперимента выполняли наплавку валика на пластину из стали 40Х толщиной 10 мм порошковой проволокой DT-DUR 250К диаметром 1,6 мм в С02. Наплавку валика выполняли сваркой с традиционной (одноструйной) и с двухструйной газовой защитой.

Использовали 3 режима сварки (пониженный, нормальный, повышенный), изменяя на каждом режиме расход защитного газа от 10 до 30 л/мин с шагом 10 л/мин. Вылет электродной проволоки оставался постоянным L=12 мм. Используемое оборудование: автоматическая сварочная установка МЕСОМЕ WP1500 источник питания ВС-300Б и подающий механизм ПДГО-528М.

При наплавке должен выполняться ряд технологических требований. В первую очередь таким требованием является минимальное разбавление направленного слоя основным металлом, расплавляемым при наложении валиков. Поэтому в процессе наплавки необходимо получение наплавленного слоя с минимальным проплавлением основного металла, так как в противном случае возрастает доля основного металла в формировании наплавленного слоя.

На полученных сварных образцах провели измерение геометрических параметров наплавленных валиков (е - ширина шва, д - усиление шва, h - глубина проплавления) (табл. 1, 2, 3).

Первый режим сварки: I = 150 А, напряжение дуги и = 24 В, скорость сварки V = 3 мм/с, скорость подачи сварочной проволоки V =50 мм/с.

Таблица 1

Геометрические размеры сварных швов в зависимости от скорости течения газа

Расход защитного газа О, л/ мин Одноструйная газовая защита Двухструйная газовая защита

Ширина шва е, мм Глубина проплавления ^ мм Усиление шва д, мм Ширина шва е, мм Глубина проплавления ^ мм Усиление шва д, мм

—мин— 9 2,5 2,5 0 —^— -з3^-

—30— 10 3 235 - —18— —32—

Второй режим сварки: I = 200 А, напряжение дуги и = 27 В, скорость сварки V = 3 мм/с, скорость подачи сварочной проволоки Vпр = 72,7 мм/с.

Таблица 2

Геометрические размеры сварных швов в зависимости от скорости течения газа

Расход защитного газа О, л/ мин Одноструйная газовая защита Двухструйная газовая защита

Ширина шва е, мм Глубина проплавления ^ мм Усиление шва д, мм Ширина шва е, мм ' Глубина проплавления ^ мм Усиление шва д, мм

10 1 2 7 3 * 3 2 9 3а2

20 2 2'4 3 5 27 3

30 1 2 24 3 5 1 6 22 2 5

Третий режим сварки: I = 250 А, напряжение дуги и = 28 В, скорость сварки V = 3 мм/с, скорость подачи сварочной проволоки Vпр = 138 мм/с.

Таблица 3

Геометрические размеры сварных швов в зависимости от скорости течения газа

Расход защитного газа О, л/ мин Одноструйная газовая защита Двух струйная газовая защита

Ширина шва е, мм Глубина проплавления ^ мм Усиление шва д, мм Ширина шва е, мм Глубина проплавления ^ мм Усиление шва д, мм

10 1 4 3 332 5 2,3 3

20 4 3 5 1

30 1 5 2,5 3 1 6 1 2,5

НаукаАЭабирскшмедашйьскллу фирма проплавбениТ, Шир320| си / ус|2йе)и2§2шва показал, что управляемый параметр режима сварки Q сильно влияет на формообразование сварного шва. Графики изменения глубины проплавления, усиления и ширины шва в зависимости от расхода защитного газа на втором режиме сварки представлены на рисунках 1, 2 и 3.

16

10

20 30

Q, !/тт

Рис. 1. График изменения ширины шва в зависимости от расхода защитного газа при режиме 1=200 А, и = 27 В: 1 - одноструйная газовая защита; 2 - двухструйная газовая защита

10

20

О, !/тт

30

Рис. 2. График изменения глубины проплавления в зависимости от расхода защитного газа при режиме

1=200 А, и = 27 В: 1 - одноструйная газовая защита; 2 - двухструйная газовая защита

По результатам экспериментальных исследованийустановлено,чтоприодинаковыхрежимах сварки и расходе газа, но разном способе газовой защиты значительно изменяются геометрические параметры сварного шва - ширина и усиление шва увеличивается, глубина проплавления уменьшается. Установлено, что наплавленный валик порошковой проволокой с применением

4

О

Д

0

О

Д

0

ширина шва и уменьшается глубина проплавления.

10

20

30

Q, !/тт

Рис. 3. График изменения усиления шва в зависимости от расхода защитного газа при режиме

1=200 А, и = 27 В: 1 - одноструйная газовая защита; 2 - двухструйная газовая защита двухструйной газовой защиты имеет более плоскую форму и плавный переход к основному металлу.

Чтобы объяснить данное влияние выполнили измерения при помощи анемометра скоростей истечения газа на выходе из одноструйного и двухструйного сварочного сопла (табл. 4).

Таблица 4 Скорость истечения газа на срезе сопла

Расход газа О, л/мин_

Способ газовой защиты

Одноструйный

Двухструйный

По результатам измерений установлено, что при двухструйной газовой защите по сравнению с одноструйной на выходе из сопла возрастает скорость истечения газа в 1,5 раза. При увеличении скорости истечения газа соответственно увеличивается и давление газа на расплавленный металл, что вызывает эффект «расплющивания» наплавленного валика (рис. 4).

]СТАММ1 р

Рис. 4. Экспериментальные образцы при сварке в защитном газе при режиме 1=200 А, и = 27 В, О = 30 л/мин: а) одноструйная газовая защита; б) двухструйная газовая защита

Существенное влияние на плавление порошковой проволоки оказывают влияние газа и режим сварки. Анализируя влияние режимов сварки (рис. 5) на форму валика, можно сделать вывод, что с возрастанием силы тока, напряжения и расхода защитного газа значительно увеличивается

Рис. 5. Экспериментальные образцы при сварке в защитном газе с двухструйной газовой защитой О = 3

л/мин:

а) сила тока I = 150 А, напряжение дуги и = 24 В;

б) сила тока I = 200 А, напряжение дуги и = 27 В;

в) сила тока I = 250 А, напряжение дуги и = 28 В

Возможность управления формой валика важна при ремонте деталей наплавкой, в зависимости от формы и размеров детали, варьируя режимы и расход газа, можно наносить необходимый слой металла с заданными свойствами.

Выводы

Используя возможности газодинамического влияния на расплавленный металл, на поверхности детали можно получить наплавленный слой любой толщины и геометрии. Применяя двухструйное сварочное сопло и увеличивая давление газа получаем плоский валик с требуемым проплавлением основного металла.

Управление геометрией наплавленного слоя с помощью сочетания режимов наплавки и изменяемого воздействия струи защитного газа позволяет точно подобрать размер наплавляемого валика для восстанавливаемой детали. Это обеспечивает получение требуемых свойств восстановленной детали и снижение припусков на последующую обработку деталей.

Список литературы

1. Исследование и разработки ИЭС им. Е.О. Патона в области электродуговой сварки и наплавки порошковой проволокой/И.К. Походня, В.Н. Шлепаков, С.Ю. Максимов, И.А. Рябцев // Автоматическая сварка. - 2010. - №12. - С. 34-42.

2. Походня И.К., Суптель А.М., Шлепаков В.Н. Сварка порошковой проволокой. - Киев: Наукова думка. - 1972. - 231 с.

3. Чинахов Д.А. Влияние режимов сварки плавлением на структуру и свойства соединений из легированных сталей: монография // Монография

/ Д.А. Чинахов; Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2010. - 114 с.

4. Чинахов Д.А., Григорьева Е.Г. , Майорова Е.И. Влияние расхода защитного газа на форму наплавляемого валика при восстановлении изношенных деталей// Актуальные проблемы в машиностроении. - 2016. - 37-41 с.

5. Федоренко Г. А., Иванова И.В.,

0

Синяков К.А. Совершенствование технологического процесса сварки в защитных газах на ветру // Сварочное производство. - 2010. - № 1. - С. 6-13.

6. Островский О.Е., Новиков О.М. Новый метод дуговой сварки с импульсной подачей защитных газов // Сварочное производство. - 1994. -№ 11. - С. 10-12.

7. Яковлев Д.С. Анализ технологических особенностей сварки порошковой проволокой

// Вестник Южно-Уральского государственного

университета. Серия: Металлургия. - 2014. - Т. 14. -№2.

8. Chinakhov D.A., Grigorieva E.G.,

Mayorova E.I. Study of gasdynamic effet upon the weld geometry when concumable electrode welding. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 127 (2016) 012013 DOI: 10.1088/1757-899X/127/1/012013.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ № 16-38-00194 мол_а.

Сравнительные санитарно-гигиенические характеристики способов сварки плавящимся электродом в защитных газах

Н.В. Павлов, спец. по УМР, А.В. Крюков, к.т.н., доц., Н.Е. Кузнецов, ст. гр. 10А52

Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета

E-mail: pavlin123@rambler.ru

В статье рассмотрены результаты исследований сварочного аэрозоля при различных способах сварки в защитном газе.

Ключевые слова: задымленность воздуха рабочей зоны, сварочный аэрозоль, импульсная подача, смесь газов, химический состав, распределение температуры полей, ударная вязкость.

Введение

Машиностроительное производство нельзя представить без применения механизированной сварки в защитных газах. Данный способ сварки обладает высокой производительностью, легкой механизацией и обеспечивает высокие механические свойства сварного шва. Вместе с тем имеется ряд существенных недостатков, одним из которых является тяжелые санитарно-гигиенические характеристики условия труда сварщика [1] и, в частности, задымленность атмосферы воздуха рабочей зоны [2-4].

Образование газо-аэрозольной смеси химических веществ в атмосфере воздуха рабочей зоны происходит за счет охлаждения и конденсации паров металла и шлака, их рассеивание и выделение в пространство вне зоны сварки.

По механизму образования СА относится к аэрозолям конденсации и представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной фазой является мелкие частицы твердого вещества -твердая составляющая сварочного аэрозоля (ТССА), а дисперсионной средой - газообразная составляющая СА (ГССА) [2].

Рассмотрим более подробно каждый из элементов СА.

ГССА представляет собой газовую смесь, появляющихся при термической диссоциации газошлакообразующих компонентов, входящих в состав сварочных материалов (СО, Н^ SiF4, ^4) или в результате фотохимического действия ультрафиолетового излучения сварочной дуги на молекулы газов защитной атмосферы и окружающего дугу воздуха [2].

Образование ТССА происходит вследствие

испарения расплавленного электродного металла. Пары выделяются в нижней части столба дуги и оттесняемые потоками газа выталкиваются в атмосферу воздуха рабочей зоны, где окисляются и конденсируются в твердые частицы. При этом испарение основного металла в образовании ТССА незначительно [2, 5]. В работе [6] экспериментально было установлено, что количественный показатель выделяемого ТССА зависит от длительности периода формирования капли расплавленного электродного металла, ее размеров и длины сварочной дуги. Так при процессах с крупнокапельным переносом электродного металла наблюдается более высокое выделение ТССА, чем при процесса с мелкокапельным переносом электродного металла [6].

При процессе переноса электродного металла с короткими замыканиями интенсивность образования ТССАневелика.Происходитлишьнебольшоеиспарение металла с торца электродной проволоки и из сварочной ванны [1, 2]. Испаряющиеся пары при этом обогащены марганцем и другими летучими компонентами. Такой характер образования пара разделен на фракции. Одна из них состоит из легкокипящих компонентов, другая - из слабоиспаряющихся. Соотношение этих фракций зависит от условий их испарения [2].

Основным способом устранения вредного влияния СА на организм является применение вентиляции. Однако несомненный интерес представляет технологический способ, который заключается в выборе соответствующих режимов сварки и совершенствование сварочных технологий и материалов [7, 8].

В результате была поставлена цель работы: провести исследования выделений пыли и газов при различных способах механизированной сварки Ж