Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Сварка в СС основные причины разбрызгивания и набрызгивания 11
1.2. Методы борьбы с набрызгиванием 17
1.3. Современное состояние и тенденции развития исследования
свойств различных материалов при помощи методов реологии 19
1.4. Цель и задачи исследования 33
Глава 2. Приборы и методики для исследования физических и технологических свойств защитных покрытий 34
2.1. Вискозиметры и установки для исследования реологических свойств текучих материалов 34
2.2. Приборы и методики для исследования вязкостных свойств защитных покрытий - 49
2.3. Методика измерения внутренних остаточных напряжений после сварки в углекислом газе с применением защитных покрытий 53
2.4. Методика исследования теплофизических свойств защитных покрытий 54
2.5. Методика исследования процессов нанесения защитных покрытий 56
2.6. Методики исследования механических свойств сварных соединений и химического состава сварных швов, выполненных с применением защитных покрытий 61 Выводы по главе 2 62
Глава 3 Исследование вязкостных и технологических свойств защитных покрытий 64
3.1. Исследование влияние концентрации компонентов состава защитных покрытий на условную вязкость покрытий 64
3.2. Исследование влияния скорости сдвига на динамическую вязкость защитных покрытий 74
& 3.3. Исследование влияния концентрации наполнителя на защитные свойства покрытий 79
3.4. Исследование влияния температуры на условную вязкость защитных покрытий 88
3.5. Исследование распределения внутренних остаточных напряжений после сварки в углекислом газе с применением защитных покрытий 93
3.6. Исследование механических свойства и химического состава сварных соединений, выполненных с применением защитных покрытий 97
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Практическая реализация результатов исследований 102
4.1. Разработка и применение методики по определению состава
покрытия с учетом текучести, защитного свойства и вязкости 102
4.2. Исследование вязкостных и защитных свойств нового защитного покрытия 106
4.3. Нанесение защитных покрытий с учётом их вязкостных свойств 111
4.4. Экономические показатели и санитарно-гигиенические характеристики нового состава защитного покрытия 113
Выводы по главе 4 122
Основные выводы и результаты работы 123
Список литературы 124
Приложения 136
- Сварка в СС основные причины разбрызгивания и набрызгивания
- Вискозиметры и установки для исследования реологических свойств текучих материалов
- Исследование влияние концентрации компонентов состава защитных покрытий на условную вязкость покрытий
Введение к работе
Сварка в углекислом газе занимает одно из ведущих мест во всех отраслях промышленности, в том числе и в машиностроении, как у нас в стране, так и за рубежом. По объему применения сварка в СОг составляет около 90%, на сварку в аргоне приходится 9%, остальное - на сварку в смесях газов.
К недостаткам, которые снижают эффективность применения сварки в углекислом газе, в первую очередь, относится повышенное разбрызгивание электродного металла, особенно при сварке проволокой диаметром 1,6...2,0 мм. Разбрызгивание сопровождается выбрасыванием из зоны дуги большого количества брызг (капель) жидкого металла различного размера. Забрызгивание деталей сварочной горелки (сопло, токоподводящий мундштук) и набрызгивание поверхности свариваемых изделий требуют введения в технологический процесс нежелательной операции — очистки поверхностей от брызг, что приводит к дополнительным трудозатратам на зачистку изделий в объеме 20...40% и сварочных горелок 10...15% от общей трудоемкости сварочных операций и опасность возникновения вибрационных заболеваний.
Как правило, на свариваемые детали попадают и привариваются крупные и мелкие брызги, а на сопло и мундштук горелки — только мелкие.
Снижение набрызгивания поверхности свариваемых деталей происходит при нанесении защитных покрытий на эти поверхности. В общем случае способы защиты свариваемых изделий от брызг расплавленного металла заключается в том, что поверхность металла, подлежащего сварке, покрывают защитным слоем в виде экрана или раствора веществ, высыхающего перед сваркой и препятствующего прилипанию брызг к основному металлу.
В последние годы ведутся работы по исследованию покрытий для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного
металла: на термостойкость и на смачивание покрытиями поверхности свариваемых изделий; влияние на потери металла на угар и разбрызгивание; разрабатываются методики нормирования расхода покрытий, определения оптимальной толщины покрытия при нанесении на изделие; определяются технико-экономически, санитарно-гигиенические показатели защитных покрытий и т.д.
Анализ известных данных по исследованию средств снижения набрызгивания показал, что малоизученными остаются реологические свойства защитных покрытий, такие как вязкость и текучесть, и не существует методики по определению состава покрытия с учетом текучести, защитного свойства и вязкости.
Целью работы является: на основе теоретических и экспериментальных исследований защитных свойств, текучести и вязкости покрытий, применяемых для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе, разработать и внедрить эффективное покрытие с оптимальным сочетанием защитного свойства и вязкости.
Для достижения поставленной цели необходимо:
По единой методике исследовать влияние концентрации компонентов состава защитных покрытий на условную вязкость покрытий, применяемых для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе.
Теоретически и экспериментально исследовать влияние концентрации наполнителя на защитные свойства покрытий.
Разработать установку и методику для исследования влияния скорости сдвига на динамическую вязкость защитных покрытий.
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать методику по определению состава покрытия с учетом текучести, защитного свойства и вязкости.
5. Разработать и внедрить в сварочное производство новое эффективное покрытие с оптимальным сочетанием защитного свойства и вязкости.
Научная новизна работы:
- теоретически и экспериментально исследовано влияние
концентрации компонентов состава защитных покрытий на условную
вязкость и защитные свойства покрытий, применяемых для защиты
поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла при
сварке в углекислом газе.
исследовано влияние скорости сдвига на динамическую вязкость защитных покрытий и проведена систематизация покрытий по характеру кривой течения;
разработана методика по определению состава покрытия с учетом текучести, защитного свойства и вязкости;
разработано и внедрено новое эффективное защитное покрытие, исследовано влияние скорости сдвига на его динамическую вязкость, влияние концентрации наполнителя на условную вязкость, определены технико-экономические показатели и санитарно-гигиенические характеристики нового покрытия.
Практическая ценность работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы доведены до конкретных формул и методик. Разработан новый состав покрытия, обладающий улучшенными защитными свойствами. Результаты работы внедрены на ОАО «Металлургмонтаж» (экономический эффект составил 10 тыс. руб. на один сварочный пост).
Диссертационные исследования и разработки используются в учебном процессе ЮТИ ГНУ студентов специальности 120500 «Оборудование и технология сварочного производства» по курсам «Методология научных исследований» и «Научно-исследовательская работа студентов».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
влияния состава компонентов покрытий на условную вязкость покрытий,
применяемых для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг
расплавленного металла при сварке в углекислом газе.
2. Результаты исследований влияния концентрации наполнителя на
защитные свойства покрытий.
Результаты исследований влияния скорости сдвига на динамическую вязкость защитных покрытий.
Систематизация покрытий по характеру кривой течения.
Методика по определению состава покрытия с учетом текучести, защитного свойства и вязкости.
Апробация работы. Результаты данной работы заслушивались на: XIV-й научной конференции, посвященной 300-летию инженерного образования России, Юрга, апрель, 2001; Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение», Пенза, август, 2001; региональной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, апрель, 2002; ХХП-й Российской школе по проблемам науки и технологий, Миасс, июнь, 2002; международной научно-технической конференции «Современные материалы и технологии — 2002», Пенза, май, 2002; VIII-й Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, апрель, 2002; IV-й Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ОмГТУ «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, ноябрь, 2002; П-й Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», Пенза, октябрь, 2002; 1-й Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения», Томск, сентябрь, 2002; VI-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении - 2003», Пенза, февраль, 2003;
Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, апрель, 2003.
Материалы по теме диссертации опубликованы в журналах: «Вопросы материаловедения», статья «Влияние концентрации наполнителя на физические и технологические свойства покрытий, применяемых для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе», № 2, 2002 г; «Известия Томского политехнического университета», статья «Тепловое воздействие дуги на вязкость и защитные свойства защитных покрытий, находящихся в различном агрегатном состоянии, при сварке в углекислом газе», том 305, 2002; «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», статья «Установка для исследования влияния скорости сдвига на вязкость покрытий», № 4, 2003 г.; «Технология металлов», статья «Реологические свойства покрытий для защиты поверхности изделий от брызг расплавленного металла при сварке в СС>2», № 2, 2003; «Автоматизация и современные технологии», статья «Вискозиметры и установки для исследования реологических свойств текучих материалов», № 5, 2003.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Сварочное производство» ЮТИ ГПУ.
Практические результаты экспериментальных исследований, полученных в диссертации, экспонировались на выставке «Машиностроение-2003», проходившей в рамках международной промышленно недели (г. Москва, сентябрь, 2003 г.) и на выставке в рамках круглого стола «Повышение эксплуатационной надежности и экологической безопасности трубопроводного транспорта» (г. Томск, август, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе одно решение о выдаче патента на изобретение (РФ) и одно решение о выдаче свидетельства на полезную модель (РФ).
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах составляет не менее 60%.
Работа состоит из четырех глав.
В первой главе дан анализ основным причинам разбрызгивания и набрызгивания, описаны методы борьбы с набрызгиванием, проанализировано современное состояние и тенденции развития исследования свойств различных материалов при помощи методов реологии, сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе приведены приборы и методики проведения экспериментов по исследованию физических (вязкость, текучесть) защитных и технологических (влияние покрытий на механические свойства и химический состав сварных соединений) свойств покрытий.
Третья глава посвящена исследованию вязкостных и технологических свойств защитных покрытий: влияние концентрации компонентов состава защитных покрытий на условную вязкость покрытий, влияние скорости сдвига на динамическую вязкость покрытий, влияние концентрации наполнителя на защитные свойства покрытий, влияние покрытий на механические свойства и химический состав сварных соединений.
В четвертой главе представлены результаты разработки и применения методики по определению состава покрытия с учетом текучести, защитного свойства и вязкости, приведены технико-экономические показатели и санитарно-гигиенические характеристики нового защитного покрытия. Рассмотрено нанесение защитных покрытий с учётом их вязкостных свойств.
Работа выполнена в рамках двух грантов:
1. «Индивидуальный грант на проведение молодыми учеными научных
исследований в ведущих научно-педагогических коллективах Томского
политехнического университета» (приказ ректора ТПУ № 2021 от
15.04.2003).
2. Грант Российского фонда фундаментальных исследований
«Создание рабочих мест в лабораториях академических и отраслевых
научных организаций, научно-промышленных объединениях и
инновационных структурах в целях осуществления научной и научно-технической деятельности студентами, аспирантами и докторантами высших учебных заведений», направление «Материаловедческое обеспечение исследовательских работ по совершенствованию технологий сварочного и машиностроительного производств» (регистрационный номер № Я0120/1361).
Сварка в СС основные причины разбрызгивания и набрызгивания
Сварка в С02 занимает одно из ведущих мест во всех отраслях промышленности, в том числе и в машиностроении, как у нас в стране, так и за рубежом. По объему применения сварка в СО2 составляет около 90%, на сварку в аргоне приходится 9%, остальное — на сварку в смесях газов.
Основные преимущества сварки в СОг, которые и обусловили широкое её применение, следующие [1]:
1. Высокая концентрация энергии дуги и большая, чем при ручной дуговой сварке, проплавляющая способность дуги при сварке в СОг. Это обеспечивает меньший разогрев кромок, большие скорости сварки и более высокую экономичность процесса.
2. Возможность вести механизированную сварку проволокой диаметром 0,8...1,4 мм во всех пространственных положениях и проволокой диаметром 1,6...2,0 мм в нижнем положении.
3. Высокая производительность (присущая большинству из известных механизированных способов сварки).
4. Высокие механические свойства сварных соединений.
5. Стойкость против образования пор и трещин, которая обусловлена окислительной атмосферой в зоне сварки.
6. Возможность видеть зону сварки и высокая маневренность процесса, обеспечивающие выполнение точечных швов, коротких и длинных швов любой конфигурации в различных пространственных положениях.
7. Производительность при сварке тонкого металла по зазорам и "на весу", а также вертикальных и потолочных швов более высокая, чем при ручной дуговой сварке.
8. Легкая механизация и автоматизация всего цикла сварки.
9. Непродолжительное время подготовки сварщиков.
10. Меньшая себестоимость сварочных работ и другие.
Вместе с тем сварка в СОг обладает рядом существенных недостатков, а именно:
1. Повышенное разбрызгивание и не всегда удовлетворительное формирование швов.
2. Несколько повышенная окислительная способность атмосферы в зоне сварки, требующая использование проволок с большим количеством раскислителей и дающая неравномерное расположение участков шлака на шве.
К недостаткам, которые снижают эффективность применения сварки в углекислом газе, в первую очередь, относится повышенное разбрызгивание электродного металла, особенно при сварке проволокой диаметром 1,6...2,0 мм. Разбрызгивание сопровождается выбрасыванием из зоны дуги большого количества брызг (капель) жидкого металла различного размера. Забрызгивание деталей сварочной горелки (сопло, токоподводящий мундштук) и набрызгивание поверхности свариваемых изделий требуют введения в технологический процесс нежелательной операции — очистки поверхностей от брызг, что приводит к дополнительным трудозатратам на зачистку изделий в объеме 20...40% и сварочных горелок 10...15% от общей трудоемкости сварочных операций [2].
К основным причинам выбрасывания капель металла из зоны сварки относятся:
1. Интенсивное газовыделение в объеме жидкого металла капли и сварочной ванны, сопровождающееся взрывообразными выбросами расплавленного металла из электродных капель и сварочной ванны.
2. Электрический взрыв и газодинамический удар при разрушении перемычки между электродом и переходящей в ванну каплей, влияние которого особенно заметно при сварке короткой дугой с короткими замыканиями.
Вискозиметры и установки для исследования реологических свойств текучих материалов
В настоящее время широко распространены исследования свойств различных материалов методами реологии [43].
Проведём анализ конструкций и принципов действия приборов и установок для исследования реологических свойств покрытий, защищающих поверхности изделий и сварочной аппаратуры от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе [44].
Измерительные приборы должны иметь простую конструкцию, широкий диапазон измерения вязкостей, напряжений и скоростей сдвига; Желательно, при измерениях получать как упругую, так и вязкую деформации в одном эксперименте [45].
Динамическую вязкость жидкости можно определить несколькими методами: истечением жидкости через капилляр, падающим шариком и ротационными вискозиметрами [46].
Капиллярные вискозиметры в отечественной и зарубежной практике приняты в качестве стандартных приборов для оценки вязкостных свойств текучих материалов [23].
Преимущество капиллярных вискозиметров состоит в том, что значительная часть диссипативной энергии отводится конвективно, т.е. изотермические условия эксперимента обеспечиваются до очень больших скоростей сдвига [47].
При капиллярной вискозиметрии подводимая энергия расходуется на вязкое течение в капилляре, преодоление сопротивления на входе в капилляр и выходе из него [47].
Метод истечения жидкости через капилляр основан на уравнении Пуазейля [46]: где 77 - динамическая вязкость жидкости; V— известный объём жидкости; t — время истечения жидкости; г — радиус капилляра; I — длина капилляра; давление, действующее на жидкости.
На практике часто ограничиваются определением условной вязкости. Для этого измеряют время истечения известного объёма жидкости через капилляр или воронку с отверстием определённого диаметра, используя вискозиметр ВЗ-4 (рис.2.1) с диаметром сопла 4 мм и объёмом истекающей жидкости 100 мл. Определение вязкости данным вискозиметром сводится к следующему. Перед каждым определением условной вязкости сопло и резервуар вискозиметра необходимо тщательно промыть, высушить или ополоснуть этиловым спиртом. Испытуемый материал перемешать, и оставить на 5-10 мин, для выхода пузырьков воздуха. Прибор установить в горизонтальное положение. Под вискозиметр поставить сосуд ёмкостью не менее ПО мл. Отверстие сопла закрыть и заполнить вискозиметр до краёв испытуемым материалом (температура материала 20 С). Открыть отверстие сопла и одновременно с истечением жидкости из сопла включить секундомер, который остановить в момент появления прерывающейся струи. Время истечения материала из вискозиметра является условной вязкостью этого материала[46].
Наилучшие результаты измерения вязкости на ВЗ-4 получены при истечении жидкости от 10 до 400 сек. В этом интервале представлена номограмма (рис.2.2) перевода условной вязкости материала в единицы абсолютной вязкости (Па с) [46].
Исследование влияние концентрации компонентов состава защитных покрытий на условную вязкость покрытий
Компоненты защитных покрытий делятся на три функциональные группы:
1. Связующие.
2. Наполнители.
3. Поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Систематизация защитных покрытий была проведена по характеру связующего. В I группу входят покрытия на основе воды, II группу — жидкого стекла, III группу — все остальные. В большинстве случаев в покрытиях третьей группы связующим является лак поливинилбутераль 174 в сочетании с растворителем 646 или ацетоном [14].
В качестве наполнителя используются различные термостойкие вещества, которые и предопределяют защитные свойства покрытия.
Поверхностно-активные вещества играют очень важную роль. При их адсорбции на границе раздела фаз понижается межфазное натяжение и вокруг каждой диспергированной частицы образуется прочная пограничная оболочка связующего, в результате чего происходит стабилизация состояния покрытия. Стабилизирующая способность усиливается действующими между частицами покрытия кулоновскими силами отталкивания. Молекулы адсорбционного слоя дифильных поверхностно-активных веществ ориентированы так, что их гидрофильные полярные «головки» обращены к связующей среде, а гидрофобные неполярные хвосты закреплены в дисперсной фазе наполнителя (рис. 3.1) [69].
Анализ экспериментальных данных позволил описать полученную зависимость математическим уравнением вида:
где rjy - условная вязкость покрытий, применяемых для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе, с; г]уо — условная вязкость покрытия при нулевой концентрации наполнителя, с; Ъ — эмпирический коэффициент; С — объёмная концентрация наполнителя, %.
Уравнения данного вида для каждого защитного покрытия представлены в таблице Значения коэффициентов уравнения (3.1) для различного процентного содержания наполнителя, а также квадрат достоверности аппроксимации R2
представлены в приложении I (таблица 1).
На основании проведенных исследований установлено, что вязкость защитных покрытий возрастает с увеличением объёмной концентрации наполнителя [83].
Однако необходимо отметить тот факт, что вязкость у различных покрытий увеличивается неодинаково. Это обусловлено различными физическими свойствами наполнителей, в частности удельной поверхностью наполнителя (S, м /кг).
Были также проведены исследования покрытий на предмет влияния количества наполнителя на вязкость системы связующее - наполнитель [84].
На рис.3.3 представлена зависимость вязкости исследованных покрытий от объёмной концентрации наполнителя в координатах \grj— С (С - объёмная концентрация наполнителя в защитном покрытии, \gr/ — десятичный логарифм условной вязкости) в виде двух пересекающихся линий.
