Особенности реализации кольцевого способа подачи защитного газа в зону горения дуги при сварке

УДК 621.791.763.2

А. О. Коротеев, В. П. Куликов, М. А. Кадров

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ КОЛЬЦЕВОГО СПОСОБА ПОДАЧИ ЗАЩИТНОГО ГАЗА В ЗОНУ ГОРЕНИЯ ДУГИ ПРИ СВАРКЕ

UDC 621.791.763.2

A. O. Koroteyev, V. P. Kulikov, M. A. Kadrov

PECULIARITIES OF USING THE CIRCULAR TECHNIQUE TO SUPPLY SHIELDING GAS TO THE ZONE OF ARC COMBUSTION IN WELDING

Аннотация

Проведены экспериментальные исследования с целью изучения особенностей замены сплошного потока защитного газа на кольцевой. Разработаны рекомендации по его оптимальному расходу, обеспечивающему отсутствие пористости в шве, достоверность которых подтверждена механическими испытаниями сварных соединений.

Ключевые слова:

газовые смеси на основе аргона, комбинированная защита, кольцевой поток защитного газа, методика оценки качества газовой защиты, конструктивные параметры сопла сварочной горелки.

Abstract

The experimental studies have been performed with the purpose of investigating peculiarities of the replacement of a continuous flow of the shielding gas by a circular one. Based on the studies performed, the recommendations for optimal gas consumption ensuring the absence of porosity in the weld have been worked out. The reliability of the recommendations received is confirmed by the mechanical testing of welded joints.

Key words:

argon-based gas mixtures, combined protection, circular flow of shielding gas, method of estimating the quality of gas protection, design parameters of the welding torch nozzle.

Дуговая сварка в защитных газах является наиболее распространенным способом сварки на предприятиях Республики Беларусь. В зарубежной практике широко применяется смесь Аг + С02, которая имеет ряд преимуществ по сравнению со сваркой в чистом С02. В первую очередь это небольшое разбрызгивание электродного металла и более высокие показатели механических характеристик сварного шва. В отечественной промышленности переход от углекислого газа на смеси идет медленно, что связано с высокой стоимостью аргона. Поэтому исследования, направленные на снижение расхода ар-

гона при сварке в смесях, актуальны [1].

Одним из наиболее перспективных направлений снижения расхода аргона является использование комбинированных способов газовой защиты, когда смесь Аг + С02 (или чистый аргон) подаётся по центральному каналу горелки (рис. 1). Смесь активно участвует в физико-металлургических процессах, происходящих в капле электродного металла и сварочной ванне, что обеспечивает преимущества по сравнению со сваркой в С02, названные выше. Функцию же вытеснения воздуха берет на себя чистый углекислый газ С02, подаваемый коаксиально смеси (или чистому арго-

© Коротеев А. О., Куликов В. П., Кадров М. А., 2014

ну) по кольцевому каналу горелки. В этом случае расход аргона может быть снижен без ухудшения процесса сварки и механических свойств металла.

В литературе очень мало сведений по такой комбинированной защите, что требует проведения исследований по оптимизации параметров горелки, определению расхода защитного газа, оцен-

ке разбрызгивания металла и др.

Первым этапом этих исследований была оптимизация параметров внешнего кольцевого потока защитного газа С02 и определение условий, при которых качество защиты расплавленного металла не ухудшается по сравнению со сплошным потоком газа.

Рис. 1. Схема процесса сварки в условиях комбинированной газовой защиты [1-3]: 1 - электродная проволока; 2 - сопло, формирующее внутренний поток газа (Лт или Лт + С02); 3 - сопло, формирующее наружный кольцевой поток газа (С02), выполняющий защитную функцию

Рис. 2. Основные геометрические параметры кольцевого сопла: 1 - внутренняя полость кольцевого потока; 2 - поток защитного газа; Б - наружный диаметр кольцевого канала; Ь - ширина кольцевого канала; Ьэ - вылет электродной проволоки

Принципиальная схема и основные геометрические параметры сопла, конструкция которого предполагает кольцевую подачу защитного газа в зону сварки, представлены на рис. 2. Основными геометрическими параметрами являются наружный диаметр кольцевого отверстия Б, внутренний диаметр ё и ширина канала Ь. В данном конструктивном исполнении вылет электродной проволоки Ьэ будет совпадать с расстоянием от среза сопла до поверхности изделия.

Для реализации кольцевого способа подачи защитного газа в зону сварки был изготовлен комплект цилиндрических сменных распределительных втулок-обтекателей различного диаметра

(12...20 мм), устанавливающихся на то-коподводящий наконечник (рис. 3).

Применение таких втулок позволило реализовать сплошной кольцевой поток газа и оперативно изменять его ширину путём изменения диаметра втулки, не меняя при этом конструкцию всего сопла. Втулки выполнены из меди либо латуни и благодаря своей теплопроводности легко очищаются в случае забрызгивания каплями электродного металла. Следует отметить, что кольцевой поток при таком способе подачи является сплошным, в отличие от вариантов подачи газа через ряд отверстий [8]. Это исключает возможность появления завихрений и подсоса воздуха в струю газа на выходе из сопла.

Важным вопросом является выбор соответствующей методики оценки качества газовой защиты. В то же время большинство из них основано на исследовании характера истечения потока защитного газа путём его окрашивания (например, парами машинного масла, дымом, ТЮ2 и др.) либо с помощью оптических устройств (интерферометриче-ский метод, теневой метод) в условиях отсутствия горения сварочной дуги. При этом выбирается оптимальный вариант конструкции проточной части сопла с точки зрения ламинарности газового потока на выходе из горелки и стабильного

характера его истечения [4, 9-11]. Как правило, далее эксперименты в условиях горения дуги проводятся уже для выбранной конструкции сопла.

В реальных условиях сварки существует два основных фактора, препятствующих использованию данных методик. Во-первых, это температура сварочной дуги, способствующая изменению физических свойств компонентов защитной газовой атмосферы и диссоциации многоатомных газов с изменением общего объёма и температуры получающейся в итоге защитной газовой смеси.

а)

б)

Рис. 3. Схема реализации кольцевой подачи защитного газа в зону сварки: а - традиционный вариант

сварки с омывающим потоком защитного газа; б - сварка в условиях кольцевой подачи защитного газа; 1 - сопло сварочной горелки; 2 - поток защитного газа (С02); 3 - электродная проволока; 4 - токоподводящий наконечник; 5 - втулка для распределения газового потока

Во-вторых, из переплавляемого дугой металла в процессе сварки выделяется большое количество газов и паров. Их удельный объём зависит от значения параметров режима сварки и состава электродной проволоки (при сварке проволоками 1,6.3 мм их количество может достигать 5.8 л/мин, что сопоставимо с расходом защитного газа [12]). Очевидно, что эти газы будут существенно искажать картину формирования фронта струи защитного газа.

Таким образом, выбранная с помощью данных методик конструкция сопла не может являться гарантировано оптимальной в реальных условиях сварки.

Для определения качества газовой защиты использовалась методика, предложенная А. В. Сурковым, сущность которой заключается в определении содержания 5-феррита в металле аусте-нитно-ферритного шва, которое хорошо коррелируется с содержанием азота и может определяться переносными фер-ритометрами контактного типа непосредственно на шве [13, 14]. Азот, попадая из атмосферы в зону горения дуги, поглощается расплавленным электродным металлом на стадии капли и сварочной ванной, в результате чего оказывает существенное влияние на

структуру и фазовый состав закристаллизовавшегося шва на сталях типа 18-8. Будучи сильным аустенизатором (в 30 раз сильнее Ni [15]), он снижает содержание первичного 5Fe, что в условиях стабильного сохранения параметров режима сварки может являться критерием оценки качества газовой защиты как способности препятствовать проникновению атмосферных газов в зону горения дуги.

Для реализации данной методики были проведены эксперименты по наплавке валиков на пластины. Наплавка осуществлялась в автоматическом режиме проволокой Lincoln Electric ER 308LSi диаметром 1,2 мм (аналог проволоки Св-04Х19Н9). Значения параметров режима представлены в табл. 1. В качестве основного металла использовалась сталь 12Х18Н10Т, характеризующаяся большой растворимостью азота. Расход углекислого газа изменялся от 1,5 до 14 л/мин.

Результаты измерения ферритной фазы на образцах, полученных с использованием сопел с различной шириной и внутренним диаметром кольцевого газового канала, представлены на рис. 4 в виде графиков.

Табл. 1. Значения параметров режима наплавки

Параметры Единица измерения Значение

Сила сварочного тока 1св А 200

Напряжение на дуге ид В 26

Вылет электродной проволоки Ьэ мм 12

Скорость наплавки Ун м/ч 25

2,5

%

1,5

ЙРе

0,5

4,6 6,5

9,7

1 -уо' д =е о

I Ч

1 10А 3 1

\/ 1 1 К п=200> V

кг 1° 1 1 и =26В д

1 1

1 1 1 1- d= 12мм

1 1 | 1 1 2- с1=16мм 3- с!=20мм

1 1 1 1

12 л/мин 18

2,5

1,5

ЙРе

0,5

4,8 6,7 6

О

1л

Л!  1

1

' о 1 1 1 1 к „=2 00) *

[ 1 [ 1 и =26В д

I (

[ 1 1- d=14мм

1 1 1 1 2- d=1Sмм

12 л/мин 18

Ь = 1,5 мм

Ь = 2,5 мм

ЙРе

2,5

%

1,5 1

0,5 0

—и— —О—

1 о 15

7 1 1

и Ч 1 1 1са=200А

1 ' 1 1 и =26В Д

V [ 1

1 1 1- 12мм

1 1 1 [ 1 1 2- d=16мм

1 1 1 1 3- d=20мм

3 ' 6 9 12 л/мин 18 О --

Ь = 3,5 мм

ЙРе

2,5

%

1,5 1

0,5 О

3,8 5,0 3 42 6 О

5Ре

2,5

%

1,5 1

0,5 О

1 ->- -6 О

°/л Г\

I/ 2 I

I I I ООА

I и =26В Д

I I

I I 1- d= 14мм

I I 2- с)=18мм

4'°4,7 3 б

о

9 12 п/мин 18

Ь = 4,5 мм

7

2 ! у 1

} 1 а т У м 1 К в=2 00)

~ / 1 < 1 и =26В Д

11 1

11 1 1- с!=12мм

1 < 1 1 2- с!=16мм d=20мм -1-

11 _11 1 _1_ 3-

12 п/мин 18

Ь = 5,5 мм

Рис. 4. Содержание ферритной фазы 5Ре в аустенитно-ферритном сварном шве при сварке в условиях кольцевой подачи защитного газа (С02) с использованием сопел с различной шириной Ь и внутренним диаметром d газового канала

В процессе проведения эксперимента наблюдалось стабильное горение сварочной дуги с незначительным разбрызгиванием. Кольцевой поток газа удерживал пары и газы металла, при этом отчётливо был виден характерный столб газа более темного цвета (бесцветный защитный газ очерчивал его границы).

Выравнивание значений содержания ферритной фазы (8Бе ~ 1,9 %) по мере увеличения расхода защитного газа на представленных графиках свидетельствует о стабилизации процесса и снижении количества азота, попадающего из атмосферы в зону горения дуги, до минимальных в данных условиях значений.

Анализ полученных результатов показал, что уменьшение диаметра газораспределительной втулки обтекателя снижает минимальный необходимый расход защитного газа (например, для случая с шириной кольцевого канала

1.5 мм уменьшение диаметра ё до 12 мм приводит к тому, что стабильный уровень значений ферритной фазы достигается при расходе защитного газа

4.6 л/мин, в отличие от 9,7 л/мин для втулки диаметром 20 мм). Это можно объяснить тем, что часть газового потока при столкновении с преградой в виде

поверхности свариваемых пластин направлена во внутреннюю полость (см. рис. 2). Фактически атмосфера зоны горения дуги содержит в себе некоторое количество защитного газа. Это хорошо заметно в случае эксперимента с подачей по кольцевому каналу вместо защитного газа воздуха. При этом в отсутствии дополнительных технических решений (например, в виде использования защитных газовых колпаков) не удаётся обеспечить получение плотных швов при сварке. Диаметр распределительной втулки определяет объём внутреннего пространства потока и, следовательно, при одинаковом количестве паров и газов, выделяющихся из расплавленного металла, для создания такого же давления необходимо большее количество подмешиваемого из кольцевого потока углекислого газа.

Комплексный анализ, учитывающий изменение обоих параметров (диаметра внутренней втулки ё и ширины кольцевого канала Ь), показал, что они практически равнозначны. Для каждого из их сочетаний определены минимальные значения расхода защитного газа (табл. 2, рис. 5), при котором обеспечивается надёжная защита зоны сварки и расплавленного металла от взаимодействия с атмосферными газами.

Табл. 2. Рекомендации по минимальному расходу защитного газа в зависимости от внутреннего диаметра и ширины кольцевого канала

Ширина кольцевого канала Ь, мм Минимальный расход защитного газа Qmin, л/мин, при внутреннем диаметре кольцевого канала ё, мм

12 14 16 18 20

< 2 4,6 5,5 6,5 8,0 9,7

От 2 до 3 4,2 4,8 5,5 6,7 8,0

От 3 до 4 3,8 4,2 4,7 5,5 6,5

От 4 до 5 3,8 4,0 4,3 4,7 5,4

Более 5 3,8 3,8 4,1 4,5 5,0

Для подтверждения полученных результатов в условиях сварки стыковых соединений из низкоуглеродистых сталей с зазором были проведены механические испытания на излом с целью определения минимального расхода защитного газа, при котором ещё не возникают поры в шве. Сварка осуществлялась с расходами газа от 2 до 15 л/мин (рис. 6).

Следует обратить внимание на необходимость увеличения времени предварительной продувки защитным газом. В момент зажигания дуги внутренняя область внутри кольцевого потока не должна быть заполнена атмосферным воздухом. В противном случае сущест-

вует большая вероятность появления пористости на начальном участке шва. Как правило, это 8.10 мм шва при скорости сварки 25 м/ч.

Результаты механических испытаний образцов хорошо согласуются с предложенными рекомендациями. При сварке с меньшими, относительно рекомендуемых по диаграмме (см. рис. 5), расходами защитного газа наблюдается сплошная пористость в шве (см. рис. 6, г. е). Причём в некоторых случаях поры не выходят на поверхность, что затрудняет их выявление без проведения механических испытаний образцов.

а) б) в)

Ь = 1,5 мм; ё = 20 мм

Ь = 2,5 мм; ё = 18 мм

Ь = 3,5 мм; ё = 16 мм

Ь = 1,5 мм; ё = 20 мм

Ь = 2,5 мм; ё = 18 мм

Ь = 3,5 мм; ё = 16 мм

Рис. 6. Поверхности излома сварных образцов вдоль шва: а-в - сварка с рекомендуемым расходом : щитного газа; г-е - сварка с расходом защитного газа меньше минимального значения

Заключение

Оптимальные расходы защитного газа при его кольцевой подаче в зону горения дуги позволяют обеспечить защиту зоны сварки не хуже, чем при использовании сплошного омывающего потока газа.

На основании установленных зависимостей разработана конструкция сопла, обеспечивающая независимую коаксиальную подачу двух газов в зону горения дуги: внутреннего потока аргона или смесей на его основе и кольцевого защитного потока углекислого газа.

Данные о минимальном расходе, обеспечивающем защиту зоны горения дуги, позволили в дальнейшем вести оптимизацию расходов компонентов комбинированной газовой защиты преимущественно по расходу внутреннего потока.

Снижение расхода центрального потока защитного газа, состоящего из аргона или смесей на его основе, открывает возможности его существенной экономии при сохранении высоких показателей механических характеристик сварных соединений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Куликов, В. П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки / В. П. Куликов. - Минск : Экоперспектива, 2003. - 415 с. : ил.

2. Сварка малоуглеродистых сталей плавящимся электродом при комбинированной защите / В. С. Лаевский [и др.] // Сварочное производство. - 1969. - № 10. - С. 21-22.

3. Грибовский, Г. Влияние двухслойного кольцевого потока защитных газов на процесс сварки плавящимся электродом / Г. Грибовский, Б. Кравчук, В. А. Ленивкин // Сварочное производство. -1996. - № 4. - С. 6-8.

4. Римский, С. Т. Особенности истечения двух газовых потоков из сопел сварочных горелок при автоматической сварке плавящимся электродом / С. Т. Римский // Автоматическая сварка. - 2007. -№ 2. - С. 37-43.

5. Виноградов, В. С. Особенности истечения защитного газа из горелок с кольцевыми соплами /

B. С. Виноградов, В. К. Колесников, М. В. Кузнецов // Сварочное производство. - 1977. - № 7. - С. 30-32.

6. Виноградов, В. С. Перенос электродного металла при сварке в кольцевом потоке углекислого газа / В. С. Виноградов, В. К. Колесников, М. В. Кузнецов // Сварочное производство. - 1978. - № 9. -

C. 26-28.

7. Коротеев, А. О. Дуговая сварка в условиях кольцевого потока защитного газа / А. О. Коротеев, В. П. Куликов, М. А. Кадров // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2013. - Ч. 1. - С. 176-177.

8. Применение двухструйных сопловых устройств для сварки в среде защитных газов / В. Т. Федь-ко [и др.] // Автоматизация и современные технологии. - 2003. - № 3. - С. 12-18.

9. Дубова, Т. Н. Окраска защитного газа при сварке / Т. Н. Дубова // Сварочное производство. -1963. - № 2. - С. 40-41.

10. Влияние формы сопла и характера истечения защитного газового потока на качество защиты сварного шва / В. В. Степанов [и др.] // Сварочное производство. - 1977. - № 6. - С. 34-36.

11. Исследование защитных газовых потоков в сварочных горелках с применением голографиче-ской интерферометрии / Б. С. Касаткин [и др.] // Автоматическая сварка. - 1980. - № 2. - С. 15-18.

12. Иваненко, В. М. К вопросу о количестве газов, выделяющихся при сварке из электродной проволоки / В. М. Иваненко, Н. М. Будник // Сварочное производство. - 1964. - № 9. - С. 9-11.

13. Новожилов, Н. М. Основы металлургии дуговой сварки в газах / Н. М. Новожилов. - М. : Машиностроение, 1979. - 232 с. : ил.

14. Ускоренный способ исследования сварочных процессов / Н. М. Новожилов [и др.] // Сварочное производство. - 1976. - № 3. - С. 48.

15. Медовар, Б. И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей / Б. И. Медовар. - М. : Машиностроение, 1966. - 432 с. : ил.

Статья сдана в редакцию 14 января 2014 года

Артур Олегович Коротеев, аспирант, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-222-27-37-43. Валерий Петрович Куликов, д-р техн. наук, проф., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-222-27-37-43.

Михаил Андреевич Кадров, студент, Белорусско-Российский университет.

Artur Olegovich Koroteyev, PhD student, Belarusian-Russian University. Phone: +375-222-27-37-43. Valery Petrovich Kulikov, DSc (Engineering), Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-222-27-37-43. Mikhail Andreyevich Kadrov, student, Belarusian-Russian University.