Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ И ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 10
1.1. Применение сварки в смесях углекислого газа и кислорода 10
1.2. Особенности и состояние исследований окислительных процессов при сварке в газовых защитных средах .... 16
1.3. Задачи и общая методика исследований 27
Выводы 37
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ КИНЕТИКИ
ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ В СМЕСЯХ С02 + 02 39
2.1. Общие данные о кинетике окисления расплавленного металла при его взаимодействии с газом окислителем 39
2.2. Расчетное определение кинетики окисления элементов расплавленного электродного металла на стадии капли 44
2.3. Расчетное определение кинетики окисления элементов расплавленного металла на стадии ванны 57
2.4. Расчетное определение удельной поверхности электродных капель 64
2.5. Определение массы электродных капель и времени их формирования 67
Выводы 71
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРШЯЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ В СМЕСЯХ С02 + 02 73
3.1. Анализ и выбор метода выделения электродных капель для исследования окислительных процессов 73
3.2. Экспериментальная установка для исследования кинетики окисления электродного металла на стадии капли 76
3.3. Определение параметров процесса оплавления и разработка методики экспериментального исследования окислительных процессов 82
Выводы 94
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ В СМЕ
СЯХ С02 + 02 95
4.1. Исследование изменений удельной поверхности электродных капель за время их образования 95
4.2. Исследование влияния параметров режима сварки в смесях С02 + 02 на величину массы электродных капель и время их образования 102
4.3. Разработка цифровой модели математических исследований кинетики окисления элементов при сварке ИЗ
4.4. Исследование кинетики окисления элементов на стадии капли 126
4.5. Исследование кинетики окисления элементов на стадии ванны 138
4.6. Исследование перехода элементов при сварке в смесях
С02 + 02 143
Выводы 159
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЪ-
ТАТОВ РАБОТЫ 161
5.1. Разработка новых сварочных материалов 161
5.2. Исследование свойств сварных соединений при сварке в смесях С02 + 02 проволокой из стали 08Х5ГСМТ 163
5.3. Разработка технологии термической обработки сварных соединений стали Х5М 170
Вывод ы 177
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 178
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 182
ПРИЛОЖЕНИЯ 193
- Применение сварки в смесях углекислого газа и кислорода
- Общие данные о кинетике окисления расплавленного металла при его взаимодействии с газом окислителем
- Анализ и выбор метода выделения электродных капель для исследования окислительных процессов
- Исследование изменений удельной поверхности электродных капель за время их образования
- Разработка новых сварочных материалов
Введение к работе
В решениях ХХУТ съезда КПСС особое внимание уделяется вопросам эффективности и совершенствования производства, роста механизации и автоматизации производственных процессов, повышения качества продукции, внедрения в народное хозяйство достижений науки и научно-технического прогресса.
Быстрые темпы развития сварочной науки и техники в нашей стране обеспечивают значительное увеличение выпуска сварных конструкций, разработку новых сварочных материалов, современных высокопроизводительных способов сварки, прогрессивных технологических процессов, оборудования.
Новое направление в сварочном производстве представляют механизированные способы сварки в газовых средах со значительным окислительным потенциалом. В качестве таких защитных сред используют аргон с добавлением кислорода, аргон в смеси с углекислым газом и кислородом, углекислый газ отдельно и в смеси с кислородом и др. [1,3,25,55,56,65,96].
Важное место занимает изучение способа сварки в смесях углекислого газа и кислорода. В перечне основных исследований в области сварочной науки и техники на I97I-I980 гг., разработанном координационным советом по сварке при Институте электросварки им. Е.О.Патона АН УССР и научным советом по проблеме "Новые процессы сварки и сварные конструкции" при Госкомитете СССР по науке и технике отмечается необходимость проведения и дальнейшей активизации работ по повышению качества и надежности сварных соединений за счет использования при газоэлектрической сварке защитной смеси, состоящей из углекислого газа и кислорода.
Исследование окисления металла при сварке в смесях COg + Og будет способствовать также реализации программы 0.72.01 "Разработ- ка высокоэффективных технологических процессов сварки, наплавки, пайки, термической резки и создания для них высокопроизводительного оборудования, сварочных материалов, средств контроля и управления", утвержденной ГКНТ и Госпланом СССР 12.12.1980 г. пр. № 472/248 и региональной целевой научно-технической программы "Повышение качества, надежности и долговечности изделий машиностроения," выполняемой в рамках межведомственного научно-производственного машиностроительного комплекса при Западном научном центре АН УССР.
Дуговая сварка в смеси С02 + 02 по сравнению со сваркой в углекислом газе имеет ряд преимуществ: окислительные реакции протекают более интенсивно, что приводит к дополнительному выделению тепла и увеличению глубины провара, уменьшается разбрызгивание металла, а брызги легче удаляются с поверхности деталей, улучшается формирование шва, повышается стойкость металла шва против образования пор, снижается количество водорода в сварных швах, что повышает сопротивляемость швов растрескиванию и др. [3,5,6,72].
Вместе с тем преимущества этого способа реализуются далеко не полностью из-за того, что имеющиеся данные об его особенностях и технологических характеристиках получены в основном применительно к сварке углеродистых сталей, что сдерживает его широкое применение для изготовления конструкций из легированных и других сталей.
Дальнейшее развитие сварки в смеси С02+02 требует изучения сварочной металлургии* Исследование кинетики реакций при сварке имеет большое значение, поскольку их равновесие, как правило, не достигается, а свойства и состав металла шва зависят не только от концентрации компонентов и температуры, но и от времени и скорости реагирования [зз].
Кинетика реакций при сварке изучена совершенно недостаточно.
Высокие температуры и скорости реакций, малые объемы реагирующих фаз, неравновесные условия усложняют изучение закономерностей физико-химических и металлургических процессов при сварке плавящимся электродом. Мало изучены и основные физические условия протекания реакций (межфазная поверхность,время контакта и т.п.),которые в значительной мере определяют их кинетику. Между тем знание кинетики взаимодействия расплавленного металла с газами необходимо для правильного понимания явлений и процессов,происходящих при сварке, предсказания их результатов и изыскания средств и способов управления ими.
Таким образом,одним из важнейших научных вопросов, от решения которого во многом зависят темпы дальнейшего развития и применения сварси в смеси GOg + Og, является вопрос изучения особенностей физико-химических (в частности, окислительных) процессов, протекающих при рассматриваемом способе сварки, и изыскания путей их регулирования. Решению этих задач посвящается и данная диссертация.
Основной целью диссертационной работы является дальнейшее развитие представлений об окислительных процессах при сварке в защитных газовых средах,в частности в смесях COg+Og, изучение закономерностей кинетики окисления металла на стадии капли и ванны с учетом изменяющихся во времени массы и удельной поверхности электродных капель, величины их остатка на электроде реальных линейных скоростей защитного газового потока окислителя и др., влияние на кинетику окисления параметров процесса сварки и разработка на основе кинетических представлений более точных методик расчета коэффициентов перехода легирующих элементов, состава новых сварочных материалов. диссертация состоит из пяти разделов. В первом разделе на основании анализа литературных данных рассматриваются вопросы особенностей способа и применения сварки в смеси углекислого газа и кислорода, преимуществах процесса, его достоинствах и недостатках, состояния исследований окислительных процессов при сварке в газовых средах. Обосновывается цель работы и ставятся задачи исследований. Здесь же приводится общая методика исследований.
Во втором разделе содержатся общие теоретические сведения о кинетике окисления расплавляемого при сварке металла, показаны особенности, недостатки и трудности практического применения ряда известных расчетных методов, приведены результаты математического описания кинетики окисления элементов на стадии капли и ванны, полученные расчетные уравнения для определения коэффициентов их перехода, базирующихся на кинетических представлениях о протекании физико-химических процессов при сварке.
Третий раздел посвящен разработке методики исследования окислительных процессов при сварке в газовых средах. Здесь рассмотрены достоинства и недостатки известных методик, определяются параметры процесса оплавления электродного металла для моделирования окислительных процессов. На этой основе спроектированы и изготовлены экспериментальные установки, приводятся их схемы и описание, а также методика и применяемая аппаратура для исключения окисления металла электродной капли в процессе ее остывания.
В четвертом разделе приведены результаты математических исследований изменения удельной поверхности электродных капель за время их образования, расчетные и опытные данные по изучению массы электродных капель, влияния на нее величины параметров режима сварки. Здесь же содержатся разработанная математическая цифровая модель и методика расчетов кинетики окисления элементов при сварке, результаты этих расчетов, расчетные и опытные данные о переходе элементов и их потерях.
Пятый раздел посвящен разработке на основе полученных данных кинетических исследований методики расчета состава новых сварочных материалов и опытной их проверки, исследованию механических свойств сварных соединений, режимов их термообработки, а также внедрению результатов исследований новых сварочных материалов, расчету полученного экономического эффекта.
В результате приведенных в настоящей работе исследований получен ряд закономерностей, опытных данных и рекомендаций, которые, по мнению автора, представляют определенный интерес с научной и практической точек зрения.
В частности, получены новые расчетные уравнения, описывающие изменение удельной поверхности электродных капель Gi за время их образования, а также уравнения кинетики окисления элементов при сварке с учетом изменяющихся значений G и реальных линейных скоростей газового потока защитной смеси СО2 + С^.
Разработана более совершенная по сравнению с существующими, основанная на кинетических представлениях об окислении методика расчета состава наплавленного металла при сварке в смесях СО2+О2» а также методика расчета необходимого содержания элементов электродного металла по заданному составу наплавленного.
Разработаны новые электродные материалы, защищенные авторскими свидетельствами, и внедрены на Старорусском заводе химического машиностроения. Вытекающие из работы рекомендации получили практическое применение на ряде заводов, в частности Львовском заводе и ГСКБ автопогрузчиков. Эти результаты и методики являются новым решением поставленной задачи.
В диссертации защищаются следующие основные научные результаты:
Расчетная методика и результаты математического моделирования изменения удельной поверхности электродных капель за время их образования.
Результаты расчетов и данные опытных исследований влияния параметров режима сварки на массу электродных капель и время их образования.
Методика математического описания кинетики окисления элементов на стадии капли и ванны, уравнения для определения концентрации элементов и коэффициентов их перехода, полученных на основе кинетических представлений о протекании окислительных процессов при сварке в защитных активных средах.
Результаты цифрового моделирования, методика и данные экспериментальных исследований кинетики окисления элементов и коэффициентов их перехода при сварке в смесях СО2 + Og, влияние на них параметров режима сварки.
Методика расчета состава новых сварочных материалов и разработанные составы новых сварочных проволок.
Результаты опытного исследования свойств сварных соединений сталей типа Х5, Х5М и др., полученных сваркой разработанными проволоками.
Работа выполнялась в I97I-I980 гг. на кафедре "Оборудование и технология сварочного производства" Львовского ордена Ленина политехнического института им.Ленинского комсомола. Химические анализы наплавленного металла и металла электродных капель выполнены во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-технологи-ческом институте химического машиностроения (ВНИЙПТХИММАШ, г.Пенза), микрорентгеноспектральные анализы электродных капель - в Центральном научно-исследовательском институте технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ, г.Москва).
Научные консультации по вопросам химических процессов окисления оказывал к.т.н.,доц. Ковальчук Б.Е.
Применение сварки в смесях углекислого газа и кислорода
Среди наиболее перспективных способов соединения металлов особое место занимает сварка в защитных средах, в первую очередь в углекислом газе. Главной причиной широкого распространения сварки в СО2 является ее простота, большая маневренность, надежность и высокая производительность. Вместе с тем этому способу сварки металлов присущ и ряд недостатков [92,120,126,130,131] (повышенное разбрызгивание, необходимость очистки сопла и соединяемого металла от брызг и окислов, трудность отделения брызг, неблагоприятная форма шва и недостаточная пластичность его металла и др.).
В последнее время для изготовления металлических конструкций успешно применяется сварка в различных газовых смесях, в том числе и смеси углекислого газа с кислородом [3,5,7,8,19,72,95,107, 124,127]. Результаты работ, проведенных в Японии [54,124,127,128] и в СССР [3,4,5,6,72], показывают, что добавки кислорода к углекислому газу позволяют в некоторой степени уменьшить или полностью устранить недостатки, присущие способу сварки в среде углекислого газа. В частности, применение сварки в смеси углекислого газа и кислорода обеспечивает такие преимущества по сравнению со сваркой в углекислом газе, как легкое отделение брызг, улучшение формирования шва, возрастание производительности процесса [б]. Добавки кислорода к углекислому газу положительно сказываются на стойкости переплавляемого дугой металла против образования пор и трещин [2,6,8], приводят к улучшению механических свойств сварных швов при сварке молибдена [64].
В работах по исследованию процесса сварки в смесях углекислого газа и кислорода часто отмечается, что добавки кислорода к углекислому газу улучшают процесс переноса [з,25,51,69] и уменьшают разбрызгивание, при этом повышается коэффициент наплавки, увеличивается провар, улучшается форма шва [72]. Приведенным фактам не всегда дается удовлетворительное объяснение.
В сварочных процессах всегда желательно использовать мелкокапельный или струйный перенос металла. Добиться таких режимов при сварке в углекислом газе не удается по известным причинам (увеличение степени сжатия дуги вследствие отбора энергии на диссоциацию и ионизацию молекулярных газов, сравнительно большое значение поверхностного натяжения расплавленного металла электродной проволоки, блуждание дуги и смещение ее с оси электрода и др.).
class2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ КИНЕТИКИ
ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ В СМЕСЯХ С02 + 02 class2
Общие данные о кинетике окисления расплавленного металла при его взаимодействии с газом окислителем
Металлургические процессы при сварке играют важную роль, поскольку ими определяются,в конечном счете,состав и свойства швов и в целом работоспособность сварных конструкций. Трудами многих исследователей (среди которых ведущую роль играют советские ученые) созданы металлургические основы сварки. В работах К.В.Любав-ского [50], Н.М.Новожилова [65,67], А.А.Ерохина [33,34], В.В.Под-гаецкого [86,88], И.И.Фрумина [115], И.К.Походни [95] , И.Р.Пац-кевича [75,82], А.Г.Потапьевского [94] и других исследователей приводится обширный материал по исследованию металлургии дуговой сварки.
Среди наиболее важных металлургических процессов, протекающих при сварке, является окисление. Основные положения общей теории окисления жидкого металла разработаны в трудах ученых металлургов С.И.Филиппова [по] , С.Л.Левина [47], В.И.Явойского [lI8, 119] , П.В.Гельда и О.А.Есина [16,35] и др.
Исследования металлургов и сварщиков позволяют составить достаточно полную картину процесса окисления жидкого металла в условиях сварки.
Реакции окисления примесей металла при сварке идут обычно между веществами, находящимися в различных фазах. Такие реакции протекают на поверхности раздела контактирующих фаз и состоят из нескольких последовательных стадий: подвода реагентов к межфазной поверхности, химического взаимодействия и отвода продуктов реакции в глубину фазы.
Скорость гетерогенной реакции определяется самым медленным ее звеном. Этим звеном может быть как стадия самого химического превращения, так и массопередача реагирующих элементов. В первом случае считают, что реакции идут в кинетическом режиме, во втором - в диффузионном.
class3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРШЯЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ В СМЕСЯХ С02 + 02 class3
Анализ и выбор метода выделения электродных капель для исследования окислительных процессов
Известен метод анализа электродных огарков с зафиксированными на них каплями разного размера [10]. Однако эти способы выделения капель позволяют сделать лишь качественные выводы, так как при собирании капель в воду условия взаимодействия расплавленного металла капли с окружающей атмосферой в процессе горения дуги, а особенно во время остывания капли,существенно отличаются от условий реального сварочного процесса, а капли, зафиксированные на торце электродных огарков, являются остатками разных по величине и времени образования предыдущих электродных капель» Не может дать достоверных данных и методика оценки "возраста" капель на электроде по ее размерам [52], поскольку маленькая капля может быть остатком более крупной капли и наоборот, т.е. определение времени существования капель по осциллограммам страдает тем же недостатком.
Лучшие результаты позволяет получить способ собирания капель путем наплавки на быстровращающиеся медные или графитовые диски. Скорость их вращательного движения выбирается такой, чтобы исключить слияние двух следующих друг за другом капель. На таких дисках исключается прочное сплавление капель с подложкой, что позволяет собирать их и анализировать. Анализ дает возможность получить сведения об общей массе капель, распределении их по размерам и химическом составе. Однако и в этом случае получить надежные данные о времени существования капель (времени взаимодействия) также невозможно. Кроме того, наличие углерода в дуге при наплавке на графитовые диски может искажать реально протекающие окислительные процессы при сварке.
А.А.Ерохин [33] для получения надежных данных по кинетике реакций в капле разработал методику более точного определения действительного времени жизни исследуемых капель. Для анализа отбирались капли, образующиеся на неоплавленном торце электрода, а время их жизни определялось с помощью скоростной киносъемки. При этом капли большего размера получались за счет удлинения дуги. Им получены данные о поведении капли на торце электрода в процессе ее образования и в период после обрыва дуги.
class4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ В СМЕ
СЯХ С02 + 02 class4
Исследование изменений удельной поверхности электродных капель за время их образования
Как уже упоминалось,в кинетических расчетах, следует применять среднее значение удельной поверхности электродных капель б за время их образования. Для определения (о по уравнению (2.94) необходимо установить период времени, в течение которого происходит изменение (0[ . Однако с целью изучения общих закономерностей изменения мгновенных значений удельной поверхности капель выберем произвольно участок времени, равный 0,001-0,3 сек.
Исследования изменения ( в зависимости от режимов сварки были проведены нами с помощью ЭЦМ-М 222 по алгоритму, блок-схема которого представлена на рис.4.1, и программе, составленной на языке "Алгол-60" применительно к транслятору TA-IM и приведенной в приложении I.
class5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЪ-
ТАТОВ РАБОТЫ class5
Разработка новых сварочных материалов
Известно, что свойства сварных швов определяются их химическим составом и структурой. При сварке различных металлов и сплавов требуемые составы металла сварных швов весьма разнообразны и варьируются в связи с эксплуатационным назначением сварной конструкции. Основным способом регулирования химического состава швов является варьирование состава наплавляемого металла, т.е. применяемых сварочных материалов. Хотя составы электродных материалов, регламентированные ГОСТами и ТУ, весьма разнообразны, обеспечить только ими необходимую номенклатуру составов металла швов оказывается затруднительным и поэтому часто возникает необходимость разработки новых сварочных материалов.
Полученные в работе расчетные зависимости, характеризующие кинетику окисления элементов при сварке, уравнения для расчетного определения коэффициентов перехода послужили основой для разработки опытных электродов и технологии сварки без подогрева конструкций из упрочняемых термической обработкой высокопрочных сталей І4Х2ГМР и І4ХЩЦФР [97], а также были использованы при решении задач разработки новых сварочных проволок.
Следовало разработать состав электродной проволоки для сварки в окислительных защитных средах изделий из стали Х5, Х5М и др., которые в настоящее время широко применяются для изготовления ответственных деталей и узлов химической аппаратуры. Сварку этих сталей производят, в основном, вручную электродами типа Х5МФ (ВД-Г7) или под флюсом, проволокой, химический состав которой аналогичен основному металлу. И хотя рекомендованные технологии получили достаточно широкое распространение, они, однако, являются трудоемкими, предъявляют весьма высокие требования к точности сборки и не всегда обеспечивают требуемое качество сварных соединений.
Опыт сварочного производства показывает, что реальным направлением значительного повышения производительности сварочных работ и улучшения качества сварных соединений на узлах из упомянутых сталей является применение при их производстве механизированных способов сварки, в частности . в защитных смесях углекислого газа и кислорода. Однако реализация этого направления ограничивается отсутствием электродных проволок для сварки хромистых и хромо-никелевых сталей в активных газовых средах.
