Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности сварки изделий из высокопрочного чугуна 10
1.1. Анализ свойств современных высокопрочных чугунов и их особенностей 10
1.2. Свариваемость высокопрочного чугуна 18
1.3. Особенности сварки труб и трубных изделий из ВЧШГ 29
1.4. Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом на импульсных режимах 32
Выводы главы 1 35
Цель и задачи работы 37
ГЛАВА 2. Разработка Методик Проведения Экспериментов, Подготовка Оборудования И Приборов 38
2.1. Модернизация установки АДСВ-5 для проведения исследований 39
2.2. Методики проведения экспериментов по наплавке и сварке высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 45
2.3. Приборы для проведения исследований 48
2.4. Методики обработки данных экспериментов .
2.5. Методика обработки данных экспериментов для получения математических моделей 54
Выводы главы 2 55
ГЛАВА 3. Исследование и моделирование формирования шва при сварке высокопрочного чугуна 56
3.1. Исследование закономерностей формирования шва без присадки
в нижнем положении 56
3.2. Моделирование процесса и исследование влияния параметров режима на формирование шва при сварке без присадки в нижнем положении 62
3.3. Моделирование процесса и исследование формирования шва при сварке c присадкой в нижнем положении 69
3.4. Моделирование процесса и исследование формирования шва при
сварке c присадкой в потолочном положении 75
3.5. Моделирование процесса и исследование формирования шва при
сварке с присадкой вертикальных швов на подъем 82
3.6. Моделирование процесса и исследование формирования шва при свар ке c присадкой в нижнем положении (угол наклона 30) на подъем 85 стр.
3.7. Статистическая проверка дисперсии расчетных размеров шва и
построение карт качества 87 Выводы главы 3 94
ГЛАВА 4. Механические характеристики соединений и внедрение результатов в производство 95
4.1. Сравнение расчетных и экспериментальных значений основных геометрических размеров полученных сварных швов 95
4.2. Прочностные испытания полученных сварных соединений 100
4.3. Металлографические исследования готовой продукции 107
4.4. Внедрение технологии импульсной аргонодуговой сварки в производство 110
Выводы главы 4 115
Общие выводы и результаты работы 116
Список литературы
- Особенности сварки труб и трубных изделий из ВЧШГ
- Приборы для проведения исследований
- Моделирование процесса и исследование влияния параметров режима на формирование шва при сварке без присадки в нижнем положении
- Прочностные испытания полученных сварных соединений
Особенности сварки труб и трубных изделий из ВЧШГ
Иногда возникают дополнительные трудности, связанные с условиями эксплуатации изделия, местом и конфигурацией прокладываемого трубопровода, наличием ответвлений, видом транспортируемого продукта.
Сварка высокопрочного чугуна сопряжена с большими трудностями. Эвтектическое превращение в чугуне, модифицированном для получения шаровидного графита, протекает при значительном переохлаждении. Жесткие термические циклы сварки усиливают тенденцию жидкого чугуна к кристаллизации по метастабильной системе, а также способствуют неравновесному распаду аустенита. В связи с этим всегда существует опасность образования карбидов и ледебурита в наплавленном металле и зоне сплавления, а также мартенситной сетки в околошовной зоне, что снижает стойкость сварных соединений против образования трещин, ухудшает их механические свойства и обрабатываемость [6, 11, 29-32].
Термический цикл, которому подвергается высокопрочный чугун в процессе сварки плавлением, создает условия для ухудшения механических свойств металла в зоне термического влияния (ЗТВ). Это происходит из-за наличия структурно-свободного углерода, который при высоких температурах стремится раствориться в аустенитной матрице. Вследствие быстрой диффузии углерода от шаровидных включений графита в аустенитную матрицу понижается температура плавления матрицы и происходит ее расплавление в зонах вокруг шаровидных включений. В условиях быстрого охлаждения сварного шва эта фаза, обогащенная углеродом, затвердевает с образованием ледебурита, т.е. цементитной эвтектики [16, 17, 44-46].
Подбор состава металла шва, предварительный подогрев и другие специальные меры могут улучшить качество металла околошовной зоны.
Равнопрочное соединение чугуна с шаровидным графитом можно получить лишь при идентичности структуры и свойств основного металла и металла шва. Во всех остальных случаях равнопрочность не достигается и, кроме того, не получается однородность физических свойств соединения на всех его участках.
Чугуны всех марок обладают большой чувствительностью к резким температурным изменениям. В практической работе встречаются чугунные отливки и детали несложной конфигурации, подогрев которых не представляет больших трудностей, но для отливок и деталей сложной конструкции при этом возникают определенные трудности, связанные с возникновением внутренних напряжений, которые могут вызвать появление трещин в различных частях изделий [16, 17, 34].
В чугуне при быстром охлаждении, имеющим место теплоотводе в реальных конструкциях, всегда образуется эвтектика структуры ледебурита. Это структура хрупкая, с высокой прочностью, с большой усадкой при охлаждении, а чем больше усадка, тем больше возникающие напряжения. Величина линейной усадки чугуна колеблется от -0,5 до +1,2%. В температурном интервале охлаждения между 1200 С и 700 С (доперлитная) она составляет в чугунах около 25% общей усадки и практически в расчет не принимается. На послеперлитную усадку (ниже 700С) приходятся остальные 75%, и поэтому она имеет решающее значение в практической работе как фактор возникновения остаточных напряжений [32, 35-39].
При сварке с предварительным подогревом до температуры 250...350 С внутренние напряжения в отливке уменьшаются, и деталь может подвергаться сварке без опасения появления трещин, так как температура наплавленного металла выравнивается с температурой отливки, и при дальнейшем медленном охлаждении они претерпевают совместно послепер-литную усадку. Таким образом, чем больше ширина этой ледебуритной зоны, тем выше вероятность и возможность образования трещин.
Исходя из этих обстоятельств для высокопрочных чугунов, имеющих ледебуритную зону, в обязательном порядке используют термообработку, причем высокотемпературную, с целью растворения карбидных включений. В зависимости от дисперсности этих включений и их количества, т.е. от ширины зоны ледебурита, зависит режим термообработки, при этом, чем эта хрупкая зона уже, тем впоследствии легче решить задачу термообработки готового сварного соединения. Чем меньше хрупких структур, чем уже зоны, мельче дисперсность, чем меньше они охрупчивают общую конструкцию, тем выше эксплуатационные характеристики изделия.
Применение импульсной сварки, как показали наши предварительные эксперименты [40-43] позволяет решить задачу уменьшения зоны ледебурита.
Присутствие в структуре ЗТВ игл первичного цементита, ледебурита и мартенсита значительно охрупчивает металл околошовной зоны и облегчает появление холодных трещин.
Температура, скорости нагрева и охлаждения отдельных участков ЗТВ при сварке неодинаковы, поэтому структурные превращения в каждом участке этой зоны и их конечные структуры различны. Характерная структурная схема сварного соединения ВЧШГ представлена на рис. 1.2 [11]. Таким образом, образующаяся зона пониженной пластичности, ширину которой во всех случаях желательно минимизировать, значительно усложняет подходы к процессу сварки высокопрочного чугуна.
Приборы для проведения исследований
С учетом намеченных целей и поставленных задач, номенклатуры выпускаемых ОАО «ЛМЗ Свободный Сокол» труб и трубных заготовок, наши эксперименты проводились с использованием источников питания, позволяющих реализовывать импульсные режимы сварки.
Как отмечалось выше, в ходе проведенных экспериментов нами делался упор на использование отечественного оборудования, в том числе производимых серийно источников питания, к каким относится источник питания «Форсаж 160-АД». Для выявления отличий при эксплуатации некоторые эксперименты проводились на производственных площадках на импортных источниках питания аналогичного класса и назначения: «Kemppi Master AC/DC 2500», «Lincoln Electric Invertec 270-SX», «Fronius TransTig 2500/3000». В результате наших исследований [77-79] существенных отличий в полученных результатах отмечено не было.
Минимальная доработка ИП «Форсаж 160-АД» свелась к переводу его включения и синхронизации на сварку от специальной педали вместо штатной кнопки на серийной горелке. Эксперименты проводились на импульсном токе прямой полярности и на токе неизменной величины на том же аппарате с использованием осциллятора для возбуждения дуги.
Для закрепления образцов использовалась прижимная струбцина. Сварка производилась на прямой полярности. Минус (катод) устанавливался на конструктивно доработанную нами сварочную горелку при помощи дополнительной клеммы. Положение рабочей поверхности образцов контролировалось по уровню-угломеру. Закрепление направляющих перемещения каретки сварочного автомата АДСВ-5 регулировалось при помощи двух стальных стержней с накидными гайками; стержни закреплены в стене.
Для настройки положения горелки относительно траектории сварного шва, а также для установки сварочной головки относительно рабочей поверхности использовался штатный механизм АДСВ-5.
Непосредственно перед началом процесса сварки выставляли заданные скорости движения каретки и подачи присадочной проволоки. На сварочном источнике питания устанавливали параметры необходимого импульсного режима.
В соответствии с задачами работы ряд экспериментов проводился без использования присадки, ряд – с использованием присадочной проволоки. Доработка узла подачи свелась к электрической изоляции всего тракта. Проволока с катушки, свободно вращающейся на оси и закрепленной на специальном кронштейне, подается через диэлектрический шланг и спиральный канал на ведущие ролики и в зону дуги.
Угол подачи присадочной проволоки оказывает влияние на формирование сварного шва и его конечные геометрические размеры.
Ориентируясь на исследования полуавтоматической импульсной арго-нодуговой сварки с механизированной подачей присадочной проволоки [72, 80-83], опыт практической работы сварщиков при сварке ВЧШГ на упомянутых выше предприятиях, нами выбран оптимальный угол подачи присадки в головную часть сварочной ванны. Во всех экспериментах это угол составлял 85 градусов, рис. 2.7. Сварочный мундштук жестко фиксировался при помощи накидного хомута на направляющей горелки под этим углом.
На основании результатов исследований процесса аргонодуговой сварки сталей и обычных чугунов [72, 80-83], а также исходя из опыта сварки Рис. 2.7. Схема процесса аргонодуговой сварки с присадкой: vt – направление сварки; d – угол заточки электрода; vw – скорость подачи присадочной проволоки; w – диаметр вольфрамового электрода; w – угол подачи присадочной проволоки; t – угол горения дуги; Dw – расстояние между концом электрода и точкой подачи присадки; La – дуговой промежуток.
ВЧШГ, установлена оптимальная длина дугового промежутка, которая во всех наших экспериментах составляла 4 мм, рис. 2.7.
На основании тех же данных и базируясь на результатах наших предварительных экспериментов угол заточки вольфрамового электрода принят равным 15 градусов при его вылете 7±1 мм.
В ходе модернизации установки АДСВ-5 и подбора соответствующего оборудования проведены предварительные эксперименты для подтверждения правильности выбранного направления исследований и отработки исследовательских методик. Полученные результаты [40-43, 77-79] подтвердили работоспособность сварочного комплекса, возможность компенсационного воздействия импульсного процесса на повышенную жидкотекучесть чугуна, выявили заметное повышение качества формирования сварных швов, обос 48 нованность снижения необходимой квалификации сварщика в процессе сварки трубных заготовок во всех пространственных положениях. Приборы для проведения исследований
При проведении экспериментов, а также при обработке полученных результатов, использовали дополнительные приборы, позволяющие производить измерения различных требуемых величин.
К основному оборудованию, описанному выше в параграфах 2.1 и 2.2, дополнительно использовалась следующая измерительная и регистрирующая аппаратура:
Осциллограммы процесса сварки на постоянном токе неизменной величины и процесса сварки на импульсных режимах фиксировались с помощью электронного осциллографа типа «Bordo-421», подключенного к персональному компьютеру типа IBM PC Pentium 4, с соответствующим программным обеспечением и приложением. Металлографические исследования проводились на металлографическом микроскопе типа ММР-2Р.
Приготовление шлифов производилось по стандартной методике [32] на многопозиционном двухшпиндельном шлифовально-полировальном станке типа 3Е881М.
Травление шлифов осуществлялось в 3% растворе азотной кислоты, в травителях на основе соляной и серной кислот в соответствиями с рекомендациями работ [16, 17].
Количество проведенных опытов в каждой серии каждого эксперимента определяли в соответствии с положениями математической статистики и установившимися в научной среде требованиями. В ходе каждого из экспериментов проводилось не менее 3-х опытов.
Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием компьютерных программ «Statistica v.6.0.2.», «MathCad v.14.0.1», «SolidAge v.6.1» и других приложений.
Моделирование процесса и исследование влияния параметров режима на формирование шва при сварке без присадки в нижнем положении
В результате проведенных экспериментов и по установленным закономерностям формирования сварных соединений при импульсной аргонодуго-вой сварке ВЧШГ в различных пространственных положениях получены формулы для расчета основных геометрических размеров сварного шва. Полученные формулы для основных пространственных положений при сварке применяются при изготовлении трубных заготовок из ВЧШГ.
Для удобства рассмотрения и пользования расчетные формулы из соответствующих разделов работы сведены в табл. 7 и табл. 8.
В производственных условиях расчет основных геометрических размеров сварного шва сводится к следующему.
На конкретном предприятии по существующей отработанной технологии сварки трубных заготовок на токе неизменной величины сварщик задает основные параметры режима сварки по данным технолога и/или справочной литературы и работает на них.
При переходе на технологию сварки ВЧШГ на импульсных режимах технолог, уполномоченное лицо или непосредственно сам сварщик известные ему для изготовления конкретного изделия основные параметры режима – значения сварочного тока, скорости сварки, скорости подачи присадочной проволоки – вводит в программу, которая разработана
Постоянные параметры – диаметр электрода, угол его заточки, диаметр присадочной проволоки, угол подачи присадочной проволоки, длина дугового промежутка – остаются неизменными.
Далее заинтересованное лицо вводит значения параметров, характерные для импульсной сварки: ток импульса, ток паузы, коэффициент жесткости режима.
Диапазон изменения (варьирования) этих параметров в результате проведенных нами исследований и опыта работы на предприятиях выбран таким, чтобы указанные параметры можно было реализовать на большинстве имеющих широкое распространение установках и источниках питания.
В результате расчетов технолог или сварщик получает конкретные значения глубины проплавления h, ширины шва е, площади проплавления Fпр.
Эти полученные значения анализируются применительно к конкретной задаче по изготовлению конкретного изделия с учетом требований ГОСТ, отраслевой документации, технических условий, ведомственных ограничений.
В случае необходимости, при выполнении швов в потолочном и вертикальном положениях проводится оценка высоты усиления с применением критерия Бонда, табл. 8. Если полученные значения h, е, Fпр и g не устраивают специалистов, проводится повторный расчет по измененным параметрам режима сварки с учетом их возможных диапазонов варьирования. Эти диапазоны четко коррелируют с границами изменения основных параметров режима при сварке ВЧШГ на токах неизменной величины, характерных для изготовления конкретных трубных заготовок, и хорошо известны основным производителям конструкций из ВЧШГ.
Таким образом, используя предложенную методику, направленным перебором решений несложных уравнений достаточно оперативно получаем требуемые значения основных геометрических размеров сварного шва, связанных с заданным изделием и конкретными параметрами режима сварки.
В случае отсутствия возможности расчетов с использованием программы относительно несложно провести расчеты по приведенным формулам с использованием современных калькуляторов и гаджетов.
Сравнение результатов расчета и экспериментальных данных для основных пространственных положений приведено в табл. 9.
В качестве примера внешний вид макрошлифов и расчетные данные основных геометрических размеров швов, сваренных в нижнем, потолочном, вертикальном положениях и в нижнем 30 на подъем, в совмещенном виде показаны на рис. 4.1.
Следует отметить, что при одинаковых значениях h, е и Fпр возможно отклонение в форме (кривизне) линии сплавления шва, что в первую очередь связано с опытом (квалификацией) сварщика, настройкой горелки и ее положением относительно оси шва. Таблица 9.
Как было показано в п. 1.2, прочностные свойства ВЧШГ во многом приближаются к прочностным свойствам стали широкого применения, и именно это обуславливает использование ВЧШГ для производства трубопроводов и фасонных частей. Основные механические характеристики чугунов, используемых для производства трубопроводов и фасонных частей, приведены в табл. 3. В результате проведенных исследований по влиянию основных параметров режима на геометрические размеры сварных соединений из ВЧШГ был установлен ряд зависимостей, позволяющих определять эти раз 101 меры – глубину проплавления, ширину шва, площадь проплавления – с заданными выше ограничениями. Таким образом, использование предложенных нами методик расчета параметров шва при импульсной аргонодуговой сварке ВЧШГ позволило решить задачи, поставленные в нашей работе и внедрить полученные результаты в производство. Как отмечалось выше, использование импульсных режимов при аргонодуговой сварке ВЧШГ позволяет повысить качество сварных соединений (особенно при сварке в вертикальном и потолочном положениях) и увеличить производительность труда при снижении требований к квалификации сварщика.
Естественно, необходимо было убедиться, что прочность полученных сварных соединений не ниже подобных, выполненных при сварке на токах неизменной величины. Анализ практической деятельности предприятий, занимающихся сваркой ВЧШГ, и теоретическая проработка вопроса позволили установить, что использование импульсных режимов не приведет к снижению прочностных характеристик сварного соединения. Возможно ожидать даже некоторого их увеличения за счет снижения количества дефектов, характерных для сварки ВЧШГ в пространственных положениях, отличных от нижнего.
Испытания на растяжение готовых сварных соединений с учетом повышенных требований к соосности зажимных приспособлений и исследуемого образца проводились по стандартной методике [72] на стандартном оборудовании (глава 2, п. 2.3.).
Анализ результатов сравнительных экспериментов показал, что предел прочности сварного соединения, выполненного на импульсном токе, в среднем находится на том же уровне, что и предел прочности соединений, выполненных на постоянных токах неизменной величины. В отдельных случаях предел прочности соединений, полученных на импульсных режимах, несколько выше, чем соединений, полученных на непрерывном токе. По-видимому, это связано с уменьшением ширины зоны сплавления со стороны основного металла, что в свою очередь приводит к уменьшению протяженности относительно твердой и хрупкой зоны и увеличивает прочность изделия.
Угол загиба сварного соединения, выполненного на импульсном токе, имеет тенденцию к увеличению на 5…10% по сравнению с соединениями, выполненными по традиционной технологии. Причина этого, на наш взгляд, связана с более качественной формой сварного шва и стабильностью размеров шва вне зависимости от пространственного положения при сварке.
Соединение на железоникелевой основе в исходном состоянии имеет угол загиба 10…15 градусов, после отжига – 28…36 градусов [72].
Как было показано в главе 1 (п. 1.2), большинство сварных соединений из ВЧШГ для снятия внутренних напряжений, улучшения структуры и обеспечения лучшей обрабатываемости после сварки подвергаются изотермическому отжигу при температуре 950…970 С. Отжиг производился для всех образцов одновременно по режиму: нагрев до 950 С, выдержка 20 мин, охлаждение до 600 С с печью, далее на воздухе.
В пятой и шестой серии экспериментов по описанной выше схеме исследовались механические характеристики соединений, сваренных на постоянных токах неизменной величины и импульсных токах, которые прошли указанную термическую термообработку.
Сравнительные исследования сварных соединений, выполненных током неизменной величины и импульсным током с проведением предварительного подогрева с температурой 290 С и последующей термообработкой
Металлографические исследования сварных швов ряда серийных изделий, выпускаемых предприятиями Липецка и Липецкой области с использованием импульсной технологии, не выявили каких-либо отклонений, вызванных особенностями импульсного режима, за исключением явно выраженного воздействия на зону сплавления «2б» со стороны основного металла, рис. 1.2. Как было показано в главе 1, эта зона является проблемной в ЗТВ при сварке ВЧШГ и характеризующаяся наличием ледебурита превращенного, первичного цементита и структур закалки – мартенсита и троостита.
Опыт эксплуатации сварных изделий из ВЧШГ показывает, что в большинстве случаев разрушение изделий как прошедших последующую термообработку, так и особенно без нее, происходит по этой зоне из-за ее низкой пластичности и повышенных твердости и хрупкости.
В ходе проведения исследований нами была установлена устойчивая тенденция к уменьшению средней ширины этой зоны по сравнению со сваркой током неизменной величины на аналогичных режимах.
Уменьшение тепловложения в единицу объема свариваемого металла при работе на импульсных режимах, а также улучшение условий для кристаллизации сварочной ванны с повышенной жидкотекучестью и приводит, на наш взгляд, к этому эффекту.
Относительная величина уменьшения ширины «2б» зависит от параметров режима сварки и пространственного положения сварного шва. При этом во всех случаях зафиксировано сужение «2б» в пределах 8…12 %. На ряде швов уменьшение ширины зоны «2б» достигало 20
Таким образом установлено, что при сварке на импульсных режимах имеется устойчивая тенденция к уменьшению ширины зоны сплавления со стороны основного металла – ледебуритной зоны – что в совокупности с наблюдаемым стабильным уменьшением общего числа дефектов в сварном шве приводит к уменьшению вероятности образования трещин. Тем самым повышается прочность и эксплуатационная надежность изделий из ВЧШГ.
Помимо этого, сужение ледебуритной зоны заметно облегчает последующую термическую обработку готовых изделий и ведет к некоторой экономии энергоресурсов.
После изучения состояния вопроса на стадии постановки цели работы и определения связанных с этим задач были определены границы исследований и сформулированы некоторые ограничения. Учитывая широкий диапазон диаметров труб из ВЧШГ, выпускаемых единственным предприятием в России ОАО «ЛТК «Свободный Сокол», г. Липецк, и значительно более широкий спектр узлов (трубной продукции) изготавливаемых из них, в настоящей работе исследовались особенности импульсной аргонодуговой сварки стыковых швов трубных заготовок из ВЧШГ. Очевидно, что исследования с некоторыми допущениями могут быть пригодны и для стыковой сварки трубопроводов в процессе их линейного монтажа, при выполнении как неповоротных стыков, так и поворотных.
В номенклатуре изделий из ВЧШГ, выпускаемых Липецкими предприятиями, доля стыковых швов колеблется от 20 до 50% в зависимости от сезонности и общего состояния экономики. Количество сварочных постов на этих предприятиях, как правило, не велико и редко достигает 20. Квалификация сварщиков в большинстве случаев высокая, разряд не ниже 5-го.
Тем не менее, производство не свободно от дефектной продукции, на переделку которой расходуются значительные силы, время и средства. По данным из открытых источников (прайс-листы, данные в местной периодической печати) без указания конкретных фирм-производителей внутрицеховой возврат продукции на переделку и доработку составляет ощутимую величину, табл. 15.
С учетом загруженности этих предприятий и их финансовых возможностей на отдельных сварочных постах был осуществлен переход на технологию аргонодуговой сварки с использованием импульсных режимов.
