Содержание к диссертации
Введение
1 Сварка в углекислом газе с применением защитных покрытий 9
1.1 Сварка в углекислом газе, область применения, перспективы и тенденции развития 9
1.2 Применение покрытий для снижения набрызгивания свариваемых поверхностей при сварке в углекислом газе 13
1.3 Анализ известных защитных покрытий и их влияние
на механические свойства и химический состав сварного соединения 16
1.4. Цель и задачи исследования 27
2 Образование и расчетное определение остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных с применением защитных покрытий 29
2.1 Существующие методы определения остаточных напряжений и деформаций 29
2.2 Влияние фазовых превращений на распределение остаточных напряжений в соединениях, выполненных с применением защитных покрытий 41
2.3 Методика расчета зависимости уровня остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных с применением защитных покрытий 47
2.4 Механизм распределения теплоты в сварных соединениях, выполненных с применением защитных покрытий 56
Выводы по главе 2 61
3 Исследование работоспособности сварных соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей с применением защитных покрытий 63
3.1 Методика определения остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных с применением защитных покрытий 63
3.2 Исследование влияния теплофизических свойств защитных покрытий на распределение остаточных напряжений в сварных соединениях 91
3.3 Распределение остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных при различных значениях погонной энергии, их механические свойства 95
3.4 Изменение прочностных характеристик сварных соединений, выполненных с применением различных защитных покрытий в зависимости от их толщины 109
Выводы по главе 3 115
4 Разработка оптимального состава защитного покрытия для снижения уровня остаточных напряжений и улучшения качества соединений 117
4.1 Разработка нового состава защитного покрытия и исследование его свойств 117
4.2 Перемешивающие устройства, применяемые для приготовления защитных покрытий 125
4.3 Теплообмен при приготовлении защитных покрытий 140
4.4 Экономическая эффективность от применения результатов исследования 143
Выводы по главе 4 146
Основные выводы и результаты работы 148
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 150
ПРИЛОЖЕНИЯ 163
- Сварка в углекислом газе, область применения, перспективы и тенденции развития
- Существующие методы определения остаточных напряжений и деформаций
- Методика определения остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных с применением защитных покрытий
Введение к работе
Одной из наиболее экономичных и эффективных разновидностей электродуговой сварки в защитных газах является сварка в углекислом газе, основы которой созданы в нашей стране. Этот способ сварки в настоящее время все шире применяется в промышленности. Способу сварки в углекислом газе свойственны свои особенности, отличающие его от других сварочных процессов.
Существенным недостатком сварки в СОг является значительное разбрызгивание и, как следствие, набрызгивание электродного металла на поверхность свариваемых изделий. Набрызгивание изделий, деталей сварочной аппаратуры и сборочно-сварочных приспособлений при сварке в углекислом газе увеличивает трудоемкость операции очистки их поверхностей от брызг расплавленного металла, расход виброинструмента и энергии, что повышает себестоимость изготовления сварных конструкций.
Кроме того, анализ заболеваемости виброболезнью рабочих, занятых на операции очистки поверхностей от брызг расплавленного металла, показывает, что предрасположенность появляется через 7...8 лет, а сама болезнь наступает максимум через 10 лет работы.
Уменьшение набрызгивания обеспечивается тем, что поверхность металла, подлежащего сварке, покрывается защитным слоем в виде раствора веществ - защитного покрытия, высыхающего перед сваркой и препятствующего прилипанию брызг к основному металлу.
В настоящее время в производстве используют большое количество защитных покрытий. При нанесении покрытия на поверхность изделия оно попадает в зону сварки. Компоненты покрытия, попадая в шов, изменяют механические свойства и химический состав сварного соединения. Изменение механических характеристик влечет за собой изменение напряженно - деформированного состояния сварного соединения. В связи с этим большое значение приобретает дальнейшее изучение процессов образования напряжений и деформаций, оказывающих существенное влияние на прочность, работоспособность, надежность и точность изготовления конструкций с применением защитных покрытий. Анализ литературных данных показал, что малоизученными остаются вопросы по влиянию защитных покрытий на прочностные характеристики и несущую способность сварных конструкций, исследование которых является актуальной проблемой как в научном, так и в практическом плане.
Целью данной работы является: разработать и внедрить оптимальный состав защитного покрытия, препятствующего сцеплению брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия, с учетом его влияния на распределение остаточных напряжений, в комплексе с допустимыми физико - механическими свойствами сварного соединения на основе экспериментальных и теоретических исследований.
Для достижения поставленной цели необходимо: экспериментально исследовать влияние защитных покрытий на механические свойства сварных соединений, и на их структуру; теоретически и экспериментально исследовать влияние теплофизических характеристик защитных покрытий на распределение остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных при сварке в углекислом газе; разработать методику для исследования остаточных напряжений с помощью магнитоупругого датчика; разработать и внедрить в сварочное производство новое эффективное покрытие, обеспечивающее снижение уровня остаточных напряжений и качество сварных соединений; разработать практические рекомендации по приготовлению покрытий в зависимости от температуры связующего. Степень новизны работы:
Проведены систематизация защитных покрытий и анализ их соответствия предъявляемым требованиям, достаточных для эффективности покрытия;
Установлено, что применение различных защитных покрытий, препятствующих сцеплению брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемых изделий при сварке в С02 способствуют снижению остаточных напряжений, как продольных, так и поперечных. Это обусловлено более медленным охлаждением металла сварного соединения, чем после сварки без защитного покрытия. При этом, чем меньше коэффициент температуропроводности защитного покрытия, тем ниже остаточные напряжения после сварки.
Установлено, что начальное напряженное состояние, сложившееся в данном сечении, оказывает существенное влияние на развитие напряжений при последующем сварочном нагреве и остывании пластины: чем быстрее происходит охлаждение пластины, тем большая концентрация напряжений наблюдается у оси шва.
Установлено, что при попадании защитных покрытий на свариваемые кромки компоненты покрытия ослабляют ось шва, способствуют снижению прочностных характеристик сварных соединений.
5. Предложена расчетная модель для оценки скорости охлаждения сварных соединений, выполненных с применением защитных покрытий, которая учитывает влияние теплофизических характеристик защитных покрытий.
6. Разработана методика расчета остаточных напряжений в соединениях, выполненных с защитными покрытиями, позволяющая выполнить инженерные расчеты с учетом теплоотдачи в защитное покрытие;
7. Разработан и внедрен новый состав защитного покрытия, способствующий снижению остаточных напряжений, в комплексе с допустимыми физико-механическими свойствами. Определены технико- экономические показатели и санитарно-гигиенические характеристики нового покрытия.
Автор защищает:
Результаты исследования влияния режимов сварки, толщины покрытия, теплофизических свойств на прочностные характеристики соединений, выполненных с применением защитных покрытий.
Результаты экспериментальных исследований влияния защитных покрытий на распределение остаточных напряжений в сварных соединениях.
3. Анализ микроструктуры сварных соединений, выполненных с применением защитных покрытий.
Методика расчета остаточных напряжений в соединениях, выполненных с применением защитных покрытий.
Методика определения зависимости скорости охлаждения от теплофизических свойств защитных покрытий.
Классификация защитных покрытий по соответствию их к предъявляемым требованиям.
Работа состоит из четырех глав.
В первой главе приведен литературный обзор, дана характеристика применяемых защитных покрытий, выбраны методы и методики проведения исследований, поставлены цель и задачи исследований.
Во второй главе изложены результаты теоретических исследований распределения остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных с применением защитных покрытий при сварке в СОг-Рассмотрены существующие методы определения остаточных напряжений и деформаций. Исследовано влияние теплофизических свойств защитных покрытий на распределение остаточных напряжений,
В третьей главе предложена методика определения величины остаточных напряжений с помощью магнитоупругого датчика; приведены экспериментальные данные исследования работоспособности сварных соединений, выполненных с применением защитных покрытий; результаты исследований влияния теплофизических свойств покрытий на величину остаточных напряжений.
В четвертой главе представлены результаты разработки оптимального покрытия для защиты поверхности изделия от брызг, обеспечивающее снижение уровня остаточных напряжений; даны технологические рекомендации по выбору перемешивающего устройства в зависимости от температуры связующего; приводится экономическая эффективность применения защитных покрытий при сварке в СОг
Сварка в углекислом газе, область применения, перспективы и тенденции развития
Электрический дуговой разряд, впервые открытый в 1802 г. В.В. Петровым, в настоящее время широко применяется в производстве. Особенно важным является использование электрического дугового разряда в качестве высокотемпературного источника тепла для сварки и резки металлов.
Способ сварки в среде защитных газов предложен русским инженером Н.Н. Бенардосом [1]. Эффективным и весьма экономичным средством защиты жидкого металла от воздействия воздуха при дуговой сварке является углекислый газ.
Возможность успешной сварки низкоуглеродистой стали в углекислом газе угольным электродом впервые показал Н.Г. Остапенко в 1950 г.
Попытка некоторых исследователей применить углекислый газ для сварки низкоуглеродистой стали плавящимся электродом вначале не дала ф положительных результатов из-за образования пор в металле шва.
К. В. Любавский и Н. М. Новожилов изучили причины появления пор в сварных швах, исследовали взаимодействие углекислого газа с жидким металлом при сварке и нашли удовлетворительный вариант сварки сталей плавящимся электродом в углекислом газе.
В настоящее время сварка в углекислом газе все более широко применяется как в нашей стране, так и за рубежом. По объему применения сварка в COi составляет около 90%, на сварку в аргоне приходится 9%, остальное - на сварку в смесях газов [2]. В России сварка в защитном газе по приведенной трудоемкости среди механизированных способов сварки занимает второе место после контактной сварки.
Сварка в СО2 плавящимся электродом осуществляется с использованием сварочной проволоки и защитного газа СОг, подаваемого в зону дуги. Этот вид сварки является механизированным, ее выполняют полуавтоматами и автоматами. Устойчивое горение дуги обеспечивается при высокой плотности постоянного тока на возрастающей ветви вольтамперной характеристики. Стабильность параметров сварного шва (его глубина и ширина) зависит от постоянства длины дуги, которое обеспечивается процессами саморегулирования длины дуги за счет поддержания постоянной скорости подачи электродной проволоки, равной скорости плавления [3].
Особенностью сварки в углекислом газе является сравнительно сильное выгорание элементов, обладающих большим химическим сродством к кислороду (С, А1, Ті, V, Si, Мп и др.). Выгорание происходит за счет окисляющего действия, как углекислого газа, так и атомарного кислорода, который образуется в результате диссоциации углекислого газа под действием высокой температуры дуги
2С02- 2СОЮ2 (1.1)
При сварке взаимодействие жидкого металла и газа происходит весьма энергично, несмотря на кратковременность их контактирования. Это объясняется исключительно высокими температурами» развивающимися в зоне сварки, и большими удельными поверхностями контактирования металла и газа.
Окисление элементов зависит от их концентрации в зоне сварки и от сродства к кислороду, которое в свою очередь изменяется для каждого элемента с изменением температуры [1]. Так, при температурах ниже затвердевания стали наиболее сильным раскислителем является кремний, за ним следуют ванадий, хром, углерод, марганец. При температуре немногим выше затвердевания металла (1600) раскислительная способность кремния уменьшается, уступая в этом отношении алюминию, титану и углероду. При отсутствии в металле алюминия и титана основными раскислителями сварочной ванны являются углерод, кремний и марганец.
Существующие методы определения остаточных напряжений и деформаций
Процесс сварки вследствие локальности и высокой температуры нагрева сопровождается появлением внутренних напряжений, наличие которых нередко приводит к разрушению сварных конструкций. Несмотря на мероприятия по А сниженшо уровня сварочных деформаций и напряжений, проводимые при проектировании сварных конструкций и разработке технологии их изготовления, исключить отрицательное влияние собственных напряжений на прочность, коррозионную стойкость и жесткость пока невозможно [15, 16].
Решением задач о сварочных деформациях и напряжениях как температурных задач теории пластичности с учетом движения поля температур, сложного нагружения, зависимости механических характеристик металла от температуры являются графорасчетные методы. Однако не во всех случаях нужно иметь такие точные решения, требующие больших затрат времени и средств. Часто бывает достаточно воспользоваться приближенными методами. В ряде приближенных методов использовано допущение об одноосности сварочных напряжений [17]. Во внимание принимают только напряжения сгх, действующие в направлении, параллельном оси шва (рис. 2.1).
Напряжения (Ту и сгг считают достаточно малыми. Такое предположение означает, что отдельные полоски металла расширяются беспрепятственно по ширине и толщине. К графорасчетным относятся методы, разработанные в различное время Г. А. Николаевым, Н. О. Окербломом и К. М. Гатовским [18].
В работе [19] рассмотрен графо-аналитический метод нулевых смещений. Он основан на предположениях, что пластические деформации охватывают относительно узкую область, прилегающую ко шву. Время изменения деформаций и напряжений в рассматриваемом сечении разделено на два периода: первый - до момента t достижения максимальной температуры в наиболее удаленной от оси шва точке пластической зоны, второй — после этого момента. Взаимосвязь действительных и пластических деформаций затрудняет решение уравнения
приведенная площадь сечения свариваемых элементов; rz,ry-радиусы инерции сечения; Sm Sn — эпюры температурных и пластических деформаций в сечении одного элемента; So=2S- толщина элементов при сварке в стык.
Для определения остаточных напряжений в элементах конструкций наибольшую ценность имеют неразрушающие методы исследования -рентгеновский, ультразвуковой, магнитоупругий, токовихревой, метод лазерной интерферометрии (в сочетании с методом отверстий) и др.
В работах [20, 21] метод определения остаточных напряжений основан на дифракции рентгеновского излучения от атомных слоев поверхности толщиной несколько десятков микрон, поверхность должна быть очищена, но без дополнительного наклепа. Непосредственно перед измерениями исследуемые поверхности зачищали с помощью резинового круга. Затем очищенную поверхность подвергали глубокому химическому травлению водным раствором смеси азотной и соляной кислот с добавлением хлорного железа. Время травления подбирали экспериментально для каждой марки стали.
Рентгеновский метод измерения напряжений применительно к сварным соединениям прошел проверку на стыковых соединениях ряда марок сталей, выполненных с применением различных сварочных материалов. Характер изменения остаточных напряжений отвечает теоретическим представлениям и имеющимся экспериментальным данным [21].
В работах [22-24] для измерения остаточных напряжений применен метод лазерной интерферометрии (в сочетании с методом отверстий). Метод отличается от известных тем, что исследования проводятся не на вырезанном образце, а на поверхности изделия в окрестности высверленного на глубину 1.. .2 мм отверстия малого диаметра. Метод не требует полного разрушения сварного соединения. Лазерная интерферометрия позволяет выполнить бесконтактные измерения и регистрировать в окрестности отверстия поле перемещений существенно снизить требования к рельефу и качеству поверхности исследуемой детали. Чувствительность голографических измерений соизмерима с небольшими долями длины волны применяемого источника лазерного излучения.
Методика определения остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных с применением защитных покрытий
Сварка как технологический процесс получения неразъемного соединения характеризуется высоколокальным введением тепловой энергии в металл [35]. Одним из основных факторов, определяющих несущую способность элементов сварной конструкции, являются остаточные сварочные напряжения, появляющиеся в результате сварочного термодеформационного цикла. Для подтверждения теоретических предпосылок были проведены эксперименты по определению влияния защитных покрытий на распределение остаточных напряжений. С этой целью был выбран ряд защитных покрытий, которые широко применяются в сварочном производстве (приведены в таблице 3.1).
Образцы изготовлены из листовой стали 10ХСНД толщиной 6 мм с V-образной разделкой кромок размером 130x560 мм.
На исследуемую поверхность наносили прямоугольную координатную сетку (рис. 3.2) с ячейками размером 30x30 мм (точка 1 - на расстоянии 95 мм от оси шва, точка 2 - на расстоянии 65 мм от оси шва, точка 3 — на расстоянии 35 мм от оси шва) и замеряли напряжения в узлах сетки с помощью магнитоупругого метода, который основан на зависимости магнитной проницаемости объема металла от значения действующего в данном объеме остаточного напряжения (внешний вид прибора представлен на рис. 2.10). Затем наносили защитное покрытие толщиной 1 мм. Перед сваркой пластины очищали от пыли и грязи, а затем наждачной бумагой от ржавчины. Защитные покрытия смешивали в заданных соотношениях и наносили на очищенные пластины кистью в соответствии с маркировкой, с учетом попадания защитных покрытий на свариваемые кромки, что бывает реально в условиях производства и без попадания защитного покрытия на свариваемые кромки и околошовную зону.
В качестве сварочных материалов применяли проволоку Св 08Г2С по ГОСТ 2246 - 85 диаметром 1,6 мм и сварочную углекислоту по ГОСТ 8050-85. Режимы сварки: 1св=260 А, ид=28 В, VCB=4-6 м/ч. После сварки пластины зачищали от брызг. Затем замеры повторяли в тех же точках.
После этого из пластин вырезали по три пробы на ударный изгиб, на статическое растяжение, на статический изгиб и по одной пробе на макро-, микроанализ и на химический анализ.
