Исследование газодинамического влияния на геометрию шва при сварке плавящимся электродом

Д.А. Чинахов, Е.И. Майорова, Е.Г. Григорьева Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета

Исследование газодинамического влияния на геометрию шва при

сварке плавящимся электродом

УДК 621.791.55

Рассмотрены пути управления геометрией шва при сварке плавящимся электродом в условиях одноструйной и двухструйной газовой защиты. Приведены сравнительные результаты экспериментальных исследований по влиянию расхода защитного газа на геометрию швов сварных соединений из конструкционной углеродистой стали 45. Установлено, что газодинамическое воздействие защитного газа оказывает существенное влияние на формообразование и геометрию сварного шва при сварке плавящимся электродом в двухструйной газовой защите.

Последние десятилетия ведутся работы по обеспечению высокого уровня эксплуатационной надежности, безопасности и экономичности изделий машиностроения. Развитие техники предъявляет все новые требования к способам производства и технологиям сварки. Одним из наиболее распространенных способов сварки является сварка в защитных газах. Этот способ сварки имеет ряд преимуществ [1]: возможность визуального наблюдения за процессом сварки, возможность сварки разной толщины, применения робототехники и т.д. Основными технологическими параметрами режима сварки в защитных газах плавящимся электродом являются: величина сварочного тока, напряжение дуги, плотность и род сварочного тока, площадь сечения (диаметр) электрода, скорость сварки. При сварке в защитных газах для защиты зоны сварки используют газ, подаваемый струей в зону сварки. Род защитного газа определяет физические, металлургические и технологические характеристики способа сварки [2].

Управление геометрией шва является одной из важнейших задач при сварке плавящимся электродом, т.к. геометрические размеры сварного шва определяют работоспособность металлоконструкции. Дополнительные параметры: вылет сварочной проволоки, расход и состав защитного газа, способ газовой защиты, положение электрода и изделия при сварке и т.д. [2].

Существуют различные пути управления геометрией шва и повышения эксплуатационных свойств сварных металлоконструкции, но в тоже время ни один из них не может претендовать на роль универсального подхода к решению проблемы. Изучением возможности управления формообразованием шва и ЗТВ при сварке плавящимся электродом занимаются многие ученые. Разработано множество технологий и устройств способствующих управлению формообразованием сварных швов [2]: изменение режимов сварки, наложение импульсов тока, программирование режимов, наложение магнитных полей на сварочную ванну, формирование механических импульсов и вибрации электрода, изменение геометрии электрода, добавление

различных химических элементов в состав проволоки, изменение состава защитного газа и т.д.

Авторы работ [3-12 и др.] проводили исследования по влиянию изменения потока защитного газа на процесс сварки плавящимся электродом и отмечают, что с увеличением скорости подачи газа улучшается качество формирования сварного шва и защита зоны сварки. Повышение жесткости струи газа особенно важно при выполнении сварочных работ на открытых площадках [6, 8]. В работах [2, 4] показано, что на каплю электродного металла, кроме основных сил существенное влияние оказывает сила давления струи защитного газа.

Применение двухструйной газовой защиты [12] обеспечивает по сравнению с традиционной (одноструйной) надежную защиту сварочной ванны, измельчение структуры металла сварного шва, плавный переход от металла шва к основному, повышение механических свойств сварных соединений, уменьшает химическую неоднородность металла шва за счет более интенсивного газодинамического перемешивания расплавленного металла в сварочной ванне. Другими словами позволяет управлять эксплуатационными свойствами сварных соединений.

Цель работы: определить влияние газодинамики одноструйной и двухструйной газовой защиты на геометрию шва при сварке плавящимся электродом в смеси газов 82% Ar + 18% ^2.

Для оценки воздействия струи защитного газа на поверхность сварочной ванны были проведены исследования на физической модели сварочной ванны, представляющий собой лоток с жидкостью. Расплавленный жидкий металл сварочной ванны моделировали с помощью глицерина (одинаковая вязкость). Для удобства наблюдения за движением жидкости добавили в глицерин алюминиевую пудру. Процесс моделирования истечения защитного газа из сварочного сопла и влияние на поверхность глицерина фиксировали с помощью высокоскоростной видеокамеры «ВидеоСпринт». Эксперимент проводили при следующих условиях: расход газа Q = 40 л/мин, скорость сварки V = 25см/мин, вылет проволоки L = 12 мм (рис. 1).

Проведенный эксперимент показал, что при традиционной одноструйной газовой защите поверхность глицерина слегка подрагивала, а частички пудры в верхнем слое глицерина практически не двигались (рис. 1, а). При двухструйной защите поверхность глицерина прогибалась, образуя углубление диаметром 4-5 мм, а частички пудры в верхнем слое глицерина двигались из передней части по дну углубления, огибая струю газа, в хвостовую часть имитируемой сварочной ванны (рис. 1, б). Таким образом, установлено значительное воздействия струи защитного газа на поверхность сварочной ванны и возможность управления геометрией сварного шва при сварке плавящимся электродом в условиях управляемой газодинамики защитного газа.

а)

б)

Рис. 1. Воздействие струи защитного газа на поверхность глицерина: а) традиционная одноструйная газовая защита; б) двухструйная газовая защита

Для определения влияние газодинамики одноструйной и двухструйной газовой защиты на геометрию шва при сварке плавящимся электродом в смеси газов 82% Ar + 18% CO2 был проведен эксперимент на реальном объекте исследования. Во время проведения эксперимента выполняли наплавку валика на пластину из стали 45 толщиной 10 мм сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм в смеси газов 82% Ar + 18% CO2. Наплавку валика выполняли сваркой с традиционной (одноструйной) и с двухструйной газовой защитой. Режим сварки: I = 195...200 А, вылет электродной проволоки L = 10 мм, расход защитного газа изменяли от 5 до 25 л/мин с шагом 5 л/мин (табл. 1), напряжение дуги U = 25...26 В, скорость сварки V = 5 мм/с. Источники питания Shtorm-Lorch V 50 AC/DC, сварочная установка VD-1500.

На полученных сварных образцах провели измерение геометрических параметров сварных швов (е - ширина шва, g - усиление шва, h - глубина проплавления) (табл. 1).

По результатам экспериментальных исследований установлено, что при одинаковых режимах сварки и расходе газа, но разном способе газовой защиты значительно изменяются геометрические параметры сварного шва. На рисунке 2 видно, что геометрия наплавляемого валика с применением двухструйного сварочного сопла имеет более плоскую форму [13]. Это способствует значительному повышению прочности сварных соединений, особенно при переменных нагрузках.

а)

б)

Рис. 2. Экспериментальные образцы при сварке

в защитном газе Q = 15 л/мин: а) одноструйная газовая защита б) двухструйная газовая защита

Таблица 1

Геометрические размеры сварных швов в зависимости от скорости истечения газа

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

Ширина шва е, мм Глубина проплав-ления h, мм Усиление шва g, мм Ширина шва е, мм Глубина проплав-ления h, мм Усиление шва g, мм

5 10 3 2,8 10 3 2,7

10 10 3 2,9 11 3 2,7

15 10 2,5 2,6 11 2 2,6

20 10 2,5 2,8 12 2 2,6

25 10 2,5 2,7 12 1,8 2,5

Состав защитного газа существенно влияет на технологические характеристики процесса сварки. При сварке в смеси газов 82% Ar + 18% CO2 наблюдался стабильный перенос электродного металла, небольшое разбрызгивание и хорошее формирование шва (рис. 2).

На все геометрические размеры сварных швов (Е, h, g) соединений из стали 45 (в условиях данного опыта) оказывает влияние способ газовой защиты и расход защитного газа. Остальные значимые управляемые параметры (сварочный ток, напряжение, скорость сварки, вылет электродной проволоки) в условиях данного опыта не изменяли.

При увеличении расхода газа и соответственно скорости подачи газа наблюдается уменьшение глубины проплавления как для одноструйной так и для двухструйной газовой защиты. Усиление шва изменяется незначительно на всем диапазоне изменения расхода защитного газа. Ширина шва для традиционной газовой защиты не изменяется в зависимости от расхода защитного газа. В случае сварки с двухструйной газовой защитой ширина шва увеличивается с повышением расхода защитного газа, что объясняется высокой плотностью потока защитного газа и давлением его на поверхность жидкого металла сварочной ванны.

При сварке с двухструйной газовой защитой наблюдается плавный переход от сварного шва к основному металлу, что обеспечивает более высокую работоспособность сварных соединений. А при сварке с традиционной газовой защитой наблюдается заметная выпуклость сварного шва, что является негативным фактором.

Анализ изменений глубины проплавления, ширины и усиления шва 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 представлены на рис. 3, 4 и 5.

Установлено, что газодинамическое воздействие защитного газа оказывает существенное влияние на формообразование и геометрию сварного шва при сварке плавящимся электродом в двухструйной

Q.Ulin

Рис. 3. График изменения глубины проплавления в

зависимости от расхода защитного газа: 1 - одноструйная газовая защита 2 -двухструйная газовая защита

Рис. 4. График изменения усиления шва в зависимости

от расхода защитного газа: 1 - одноструйная газовая защита 2 - двухструйная

газовая защита газовой защите. С увеличением газодинамического воздействия (расход и скорость истечения газа) на поверхность сварочной ванны и процессы в зоне сварки происходит увеличение ширины шва, уменьшение глубины проплавления и незначительное изменение усиления шва. Газодинамическое управление формообразованием и геометрией сварного шва имеет большое практическое значение и дает возможность повысить эксплуатационную надежность сварной конструкции без дополнительных затрат.

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

длпт ^

f— - --*-

-<- ---- —V

5 10 1Б 20 25 а, Um ¡г

Рис. 5. График изменения ширины шва в зависимости

от расхода защитного газа: 1 - одноструйная газовая защита 2 - двухструйная газовая защита

Список литературы

1. Кононенко В.Я Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом. Справочник для студентов. - К.: Изд. Центр «Ника-Принт», 2007. -266 с.

2. Потапьевский А.Г., Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Сварка сталей в защитных газах плавящимся электродом. Техника и технология будущего: монография // Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2012.

3. Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах. - Машиностроение, 1979.

4. Чинахов Д.А. Роль газодинамического воздействия струи защитного газа на процессы сварки плавящимся электродом: монография // Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2011.

5. Столбов В.И. Сварочная ванна: Монография. - Тольятти: ТГУ. - 2007. - 147 с.

6. 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.

7. 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.

8. Поправка Д.Л., Хворостов Н.Е. Дуговая сварка в защитных газах на открытых площадках. - М.: Машиностроение, - 1979. - 64 с., ил.

9. Тарасов Н.М. Отрыв капли электродного металла кратковременным потоком газа // Автоматическая сварка. - 1986. - № 7. - С. 10-13.

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

11. Шейко П.П., Жерносеков А.М., Шевчук С.А. Технологические особенности сварки плавящимся электродомнизколегированныхсталейсчередующейся подачей защитных газов // Автоматическая сварка. -1997. - № 8. - С. 32-36.

12. Чинахов Д.А. Влияние двухструйной газовой защиты на эксплуатационные свойства сварных соединений судостроительной стали GL-E36 // Автоматическая сварка. - 2009. - № 9. - С. 39-42.

13. Григорьева Е.Г., Чинахов Д.А. Современные способы предотвращения негативных явлений в процессе наплавки высокопрочных сталей // V Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». - 2014. - С. 32-35.

А.Г. Крампит, д.т.н., профессор, Н.Ю. Крампит, к.т.н., доцент, Э.К. Габитов,студент Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета

Модернизация сварочного оборудования - как решение приоритетной

задачи по импортозамещению

УДК 621.791.65

В статье представлен пример модернизации сварочного оборудования в свете решения по приоритетному направлению импортозамещения, относящемуся к основной стратегической задаче инновационного развития России до 2020г.

К способам, которые могут практически исключить большинство недостатков механизированной сварки в углекислом газе, относятся импульсные методы управления переносом электродного металла. При использовании способа сварки с импульсным питанием повышается устойчивость горения дуги и обеспечиваетсяуправляемыйпереносэлектродногометаллавсварочнойдугевовсехпространственных положениях, вследствие чего снижается разбрызгивание электродного металла и улучшается формирование капли электродного металла, появляется возможность активно воздействовать на геометрические размеры сварного шва и структуру формирующегося сварного соединения.

Для реализации данного способа был модернизирован источник питания ВДУ-504 с модулятором ИРС-1200АДМ. При модернизации оборудования учитывалось не только