Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Сущность ручной дуговой сварки покрытыми электродами (РД) 13
1.1. Эффективность перехода химических элементов из сварочных материалов в металл шва 16
1.1.1. Применение нанопорошковых компонентов в обмазке покрытых электродов для повышения перехода легирующих элементов 17
1.1.2. Влияние динамических свойств источников питания на переход легирующих элементов при РД
1.2. Повышение эффективности РД металлоконструкций, подконтрольных Ростехнадзору 24
1.3. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 26
ГЛАВА 2. Исследование влияния динамических свойств источника питания на эксплуатационные характеристики сварного соединения. материалы, оборудование и методики исследования 28
2.1. Основные и сварочные материалы. Сварочное оборудование 28
2.2. Определение стабильности горения дуги при РД
2.3. Определение влияния параметров каплепереноса на размер переносимых капель электродного металла при РД 34
2.4. Методика определения теплосодержания электродных капель и тепловложения в изделие при сварке 35
2.5. Определение потерь электродного металла на разбрызгивание 42
2.6. Методика получения образцов для оценки степени перехода
химических элементов из покрытых электродов в сварной шов и шлаковую корку 43
2.7. Методика проведения макро- и микроструктурного анализа наплавленного металла шва 45
2.8. Методика определения механических свойств сварных соединений 46
2.9. Методика определения качественной и количественной составляющих сварочного аэрозоля 47
2.10. Выводы по главе 2 50
ГЛАВА 3. Влияние скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки источника питания на структурно фазовый состав и эксплуатационные свойства сварного соединения, выполненного РД 52
3.1. Стабильность процесса РД при изменении скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки источника питания 52
3.2. Влияние скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки источника питания на параметры переносимых электродных капель 59
3.3. Изменения теплосодержания переносимых электродных капель и картины распределения температурных полей на поверхности свариваемого изделия в зависимости от скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки источника питания 61
3.4. Динамические свойства источника питания и величина разбрызгивания электродного металла 64
3.5. Взаимосвязь скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки источника питания
и химического состава сварного шва 67
3.6. Влияние динамических свойств источника питания на макро и микроструктуру сварных соединений 72
3.6.1. Влияние динамических свойств источника питания
на микроструктуру сварных соединений из стали 09Г2С 73
3.6.2. Влияние динамических свойств источника питания на микроструктуру сварных соединений из стали 45 76
3.6.3. Влияние динамических свойств источника питания на микроструктуру сварных соединений из стали 12Х18Н10Т 79
3.7. Механические свойства сварного соединения, выполненного
с использованием источников питания с различными динамическими свойствами 82
3.8. Санитарно-гигиенические характеристики воздуха рабочей зоны сварщика при использовании источников питания с различными динамическими свойствами 84
3.9. Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. Технологические рекомендации для рд, обеспечивающие повышение качества сварных соединений и экономию материальных ресурсов 89
4.1. Расчет экономической эффективности применения инверторного источника питания при РД 89
4.2. Расчет энергосбережения от внедрения инверторного источника питания 92
4.3. Разработка рекомендаций при проведении работ РД, обеспечивающих повышение качества сварных соединений. Эффективность использования электроэнергии и электродов 93
4.4. Апробация результатов диссертационной работы в производстве 94
4.5. Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе 95
4.6. Выводы по главе 4 95
Заключение 96
Список литературы
- Влияние динамических свойств источников питания на переход легирующих элементов при РД
- Определение влияния параметров каплепереноса на размер переносимых капель электродного металла при РД
- Влияние скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки источника питания на параметры переносимых электродных капель
- Расчет энергосбережения от внедрения инверторного источника питания
Введение к работе
Актуальность работы. Анализ номенклатуры сварочного оборудования, выпускаемого российскими и зарубежными производителями, показывает, что до 80 % ее наименований представлено современными источниками питания, реализующими высокочастотное преобразование энергии. Как правило, это инверторные источники питания, обладающие быстродействием в управлении параметрами режима сварки (скорость нарастания тока короткого замыкания и скорость его спада; соотношение значений тока горения дуги и тока короткого замыкания и т. д.). Однако в настоящее время нет комплексной методики, с использованием которой можно объективно оценить сварочные свойства оборудования и спрогнозировать свойства неразъемного соединения, выполненного с использованием данного типа источника питания.
Повышение эффективности новых источников питания для ручной дуговой сварки и оценка их влияния на тепломассоперенос, структуру и свойства неразъемных соединений является актуальной научно-исследовательской задачей.
Степень разработанности темы исследования. В России и за рубежом
проводились работы такими учеными, как: В.С. Милютин, В.М. Ильюшенко,
Г.А. Бутаков, Э.А. Гладков, В.М. Бардин, J. Slania, Ю.Н. Сараев и др., посвященные
вопросам стабильности процесса сварки при использовании инверторных источников
питания. Однако динамические свойства данных источников питания до сих пор
остаются малоизученными. Сказанное в полной мере относится к задачам по анализу характеристик тепломассопереноса при дуговой сварке плавящимся электродом, а это требует проведения комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов сварки (плавление, перенос электродного металла и кристаллизация металла шва из расплава при формировании сварных соединений и наплавленных покрытий).
Результатом проводимых исследований будет установление зависимости между
характеристиками тепломассопереноса капель электродного металла, теплосодержанием
сварочной ванны и структурой сварного шва, физико-механическими и
эксплуатационными свойствами сварных соединений металлов, что позволит сформулировать рекомендации для повышения эксплуатационных свойств сварных металлоконструкций при использовании инверторных выпрямителей.
Под динамическими свойствами источников питания понимают изменение во времени основных энергетических параметров режима сварки, происходящее в процессе плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну, в пределах одного сварочного микроцикла.
Цель работы – оценка влияния динамических свойств инверторных источников питания на стабильность плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну как основных показателей тепломассопереноса, влияющих на структуру и механические свойства формируемых неразъемных соединений.
Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи:
-
Экспериментально исследовать влияние скорости изменения основных энергетических параметров в пределах одного микроцикла режима сварки источника питания на стабильность переноса капель электродного металла и их размер.
-
Разработать методику определения геометрических размеров переносимых капель электродного металла в зависимости от параметров режима ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
-
Разработать методику получения образцов, предназначенных для оценки степени перехода химических элементов из покрытых электродов в сварной шов, шлаковую корку, а также в твердую и газовую составляющую сварочного аэрозоля.
-
Исследовать влияние скорости изменения основных энергетических параметров в пределах одного микроцикла режима сварки источника питания на микроструктуру, химический состав металла шва и механические свойства сварных соединений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Доказано, что увеличение скорости изменения основных энергетических параметров в пределах одного микроцикла режима сварки источника питания обеспечивает повышение стабильности характеристик тепломассопереноса переносимых капель и уменьшение их размеров.
-
Разработана методика определения геометрических размеров переносимых электродных капель в зависимости от длительности коротких замыканий, позволяющая дать количественную оценку характеристикам переноса электродного металла и энергетическому воздействию на металл свариваемых изделий.
-
Показано, что снижение размеров переносимых капель и сокращение периода переноса способствует уменьшению на 25 % ширины температурных полей, в том числе площади ЗТВ на 15 %, средней ширины ЗТВ на 36 %, интенсивности теплового излучения на 37 %.
-
Разработана методика получения образцов, предназначенных для оценки перехода химических элементов из покрытых электродов в сварной шов, шлаковую корку, в твердую и газовую составляющую сварочного аэрозоля, позволяющая сократить время и материальные затраты на подготовку образцов по сравнению со стандартной до 8 раз. Установлен эффект увеличения массовой доли легирующих элементов, при их переходе из покрытого электрода в металл шва, в зависимости от скорости изменения основных энергетических параметров в пределах одного микроцикла режима сварки инверторного источника питания.
-
Установлено, что улучшение динамических характеристик источника питания, определяемых скоростями изменения основных энергетических параметров в пределах одного сварочного микроцикла, позволяет снизить структурную неоднородность в зоне неразъемного соединения, повысить их механические характеристики, уменьшить ширину и площадь ЗТВ.
Теоретическая значимость работы. Диссертационная работа вносит
существенный вклад в развитие представлений о связи энергетических параметров инверторного источника питания с повышением стабильности плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну, которые предопределяют структурно-фазовый состав и механические свойства формируемых неразъемных соединений.
Практическая значимость работы. Результаты исследований легли в основу
разработанных технологических рекомендаций, которые позволяют подобрать
оборудование для эффективного решения производственных задач, ресурсоэффективного использования электроэнергии и материалов электродов и повысить эксплуатационные свойства сварных соединений.
Результаты диссертационной работы используются при организации и осуществлении учебного процесса студентов ЮТИ ТПУ, обучающихся по направлению 15.03.01 «Машиностроение», профиль «Оборудование и технология сварочного производства», при изучении дисциплин «Технологическое оборудование для сварки и резки», «Технология сварки плавлением и термической резки».
Методология и методы исследования. Работа выполнена с применением
метода исследования - оптической микроскопии (микроскопы: Neophot-21 и Olympus
GX-71, цифровая камера Genius VileaCam). Механические свойства определяли по
ГОСТ 6996–66 (машина испытательная универсальная ЦДМУ-30, маятник копра МК-
30), химический состав наплавленного металла – по ГОСТ 18895–97 (дифракционный
спектрограф ДФС-3). Осциллографирование тока в сварочной цепи и напряжения
между электродом и изделием производили с помощью осциллографа «АКИП-
4122/1V» и источников питания для дуговой сварки «Nebula-315» и «ВД-306»).
Тепловые поля регистрировали посредством тепловизора ThermaCAM P65HS и
программы ThermaCAM Researcher). Макрошлифы сварного шва обрабатывали с
использованием программы КОМПАС-3D V16. Статистическая обработка
экспериментальных данных проводилась методами дисперсионного и регрессионного анализов, с использованием пакетов Microsoft Office Excel.
Положения, выносимые на защиту:
-
Повышение скорости изменения основных энергетических параметров (скорости нарастания тока короткого замыкания и скорости его спада, соотношение значений тока горения дуги и тока короткого замыкания и т. д.) в пределах одного микроцикла режима сварки источника питания изменяет характеристики тепломассопереноса, а именно увеличивает частоту переноса капель электродного металла, уменьшает размер переносимых капель в сварочную ванну, сокращает длительность их пребывания на торце электрода под действием высокой температуры сварочной дуги и длительность коротких замыканий.
-
Методика определения геометрических размеров переносимых электродных
капель в зависимости от длительности коротких замыканий, позволяет дать
количественную оценку характеристикам переноса электродного металла и
энергетическому воздействию на металл свариваемых изделий. Рекомендуется для практического применения.
-
С использованием разработанной методики получения образцов для оценки степени перехода химических элементов из покрытых электродов в сварной шов, шлаковую корку, а также в твердую и газовую составляющую сварочного аэрозоля, позволяющей сократить время и материальные затраты на подготовку образцов по сравнению со стандартной в 8 раз, установлено увеличение массовой доли легирующих элементов, при их переходе из покрытого электрода в металл шва, в зависимости от скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки инверторного источника питания, по сравнению с диодным выпрямителем.
-
Повышение динамических свойств источников питания, определяемых скоростями изменения основных энергетических параметров в пределах одного сварочного микроцикла, позволяет снизить структурную неоднородность в зоне неразъемного соединения и повысить его механические характеристики.
Достоверность результатов проведенных исследований и выводов.
Достоверность полученных результатов при решении поставленных в
диссертационной работе задач обеспечивалась использованием стандартных методов и
методик экспериментальных и теоретических исследований, применением
современных серийных приборов, аккредитованных лабораторий, а также
современного технологического оборудования и компьютерной техники.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы
были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» – г.
Томск (2003–2008 гг.), Международной научно-практической конференции
«Инновационные технологии и экономика в машиностроении» – г. Юрга (2003–2016 гг.),
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы
электрометаллургии, сварки, качества» – г. Новокузнецк (2006 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество» – г. Новокузнецк (2007–2009 гг.), 8-й Международной научно-практической конференции «Качество – стратегия XXI века» – г. Томск (2012 г.), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» – г. Томск (2016 г.).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 11
публикациях, из них 6 статей в журналах, рекомендуемых ВАК («Сварка и диагностика»,
«Сварочное производство», «Дефектоскопия», «Технология металлов»,
«Энергобезопасность и энергосбережение» и др.), и 5 статей в журналах из списка Scopus (Welding International, IOP Conference Series, и др.), и
1 свидетельстве об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад соискателя. Автору принадлежит постановка задач
исследования, выполнение теоретических исследований, участие в экспериментальных
исследованиях, обработка, обобщение и анализ полученных результатов,
формулирование выводов и положений, выносимых на защиту.
Связь работы с Государственными программами и НИР. Проект «Развитие теории физико-химических процессов, протекающих в дуговом разряде и расплавленном металле сварочной ванны» в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010 годы)», Рег. №2.1.2/1949; Грант РФФИ 12-08-09213 моб-з на участие в XIII Международной научно-технической конференции «Прогрессивная техника и технология 2012» (Украина).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 157 наименований, и 8 приложений. Основной текст диссертации содержит 137 страниц, в том числе 36 рисунков и 24 таблицы.
Влияние динамических свойств источников питания на переход легирующих элементов при РД
Начало XXI века ознаменовалось развитием нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине) при производстве керамических и композиционных материалов, сверхпроводников и др. [33].
Для изготовления металлоконструкций в различных отраслях промышленности в основном используют конструкционные и легированные стали. Основным способом получения неразъемных соединений из данных сталей является сварка плавящимся электродом, к недостаткам которой относятся механическая, структурная и химическая неоднородность сварного соединения. Применение модификаторов, в частности наноразмерных элементов при дуговой сварке плавящимся электродом, позволит управлять процессом кристаллизации металла сварочной ванны, прогнозировать структуру и свойства металла шва, а также получать равнопрочные сварные соединения [34].
Применение сварочных материалов с нанопорошками в обмазке при РД способствует: 1) измельчению структуры наплавленного металла [35, 36]; 2) повышению механических свойств наплавленного металла и увеличению коэффициента перехода легирующих элементов [37–40].
Авторы в статье [41] описали исследования по использованию в качестве модификатора 1–3 % бария в покрытии электродов РД нефтегазопроводов, что способствует обеспечению высокой трещиностойкости сварных соединений как на воздухе, так и в коррозионно-агрессивных средах, снижению скорости коррозии сварных соединений в 4–7 раз за счет снижения содержания серы и фосфора. Использование покрытых электродов с нанопорошками для РД в промышленных масштабах ограничено из-за трудности внесения нанопорошковых компонентов в сварочную ванну [42], а также из-за негативного воздействия нанокомпонентов на здоровье сварщика [44, 45], что является сдерживающим фактором для широкого использования данных материалов в сварочном производстве и препятствует активному внедрению в производство без разработанной эффективной защиты органов дыхания сварщика.
Уровень развития современного оборудования для дуговой сварки плавлением определяется имеющейся на сегодняшний момент в распоряжении элементными полупроводниковой базы, а также повышением требований к технологическим и функциональным возможностям. В настоящее время развитие источников питания для сварки идет по пути совершенствования инверторных выпрямителей. Однако при увеличении у инверторных преобразователей функциональных возможностей повышению эффективности процессов дуговой сварки отведено второстепенное значение [45].
Достигнутые в вопросах повышения эффективности процесса РД результаты характеризуются появлением способов сварки модулированным током (СМТ). Большой вклад в развитие модулированных процессов внесли: И.И. Заруба [46, 47], Ф.А. Вагнер [48, 49], В.С. Сидорук [50-52], А.Г. Мазель [53-57], Ю.Н. Сараев [1, 2, 58, 59], А.Ф. Князьков [4], В.Л. Князьков [4, 5], Р.И. Дедюх [53-58, 60-61], Т.Г. Шигаев [62-64] и др.
Способы СМТ можно реализовать, используя оборудование: модуляторы-приставки или инверторные источники питания, но широкого промышленного применения данный способ не находит из-за следующих недостатков [45]: способы СМТ реализуются по жестким программам, которые не позволяют изменять (адаптировать) параметры модуляции при возникновении возмущений со стороны объектов: дуги, сварочной ванны; наличие пульсаций светового излучения, возникающих из-за разницы в интенсивности излучения дуги во время импульсов и пауз, что при продолжительной работе создает зрительные и психологические нагрузки.
Мировое производство источников питания для дуговой сварки плавящимся электродом увеличивается с каждым годам. Из них около 70 % приходится на так называемые инверторные преобразователи, причем их доля, как наиболее перспективных, с каждым годом увеличивается [65].
Основным принципом работы инверторного источника питания является многократное поэтапное преобразование электрической энергии. Процесс преобразования энергии в инверторе регулируется за счет обратных связей блоком управления, который обеспечивает необходимые статические и динамические характеристики (величина времени для подъема напряжения от нуля до напряжения повторного зажигания дуги) сварочного тока.
Различные схемы преобразования энергии, реализуемые в диодных и инверторных выпрямителях, позволяют получить и различные внешние характеристики источника питания (рисунки 1.3, 1.4).
Определение влияния параметров каплепереноса на размер переносимых капель электродного металла при РД
Макрошлифы сварных швов (полученных для проведения комплексного исследования, п. 2.2) сканировали, затем их изображения увеличивали 10-кратно, что позволяло получить значения с большей степенью точности. Увеличенные изображения макрошлифов размещали на листе программы «Компас 3D-V16». С помощью вспомогательных линий фото образцов выставляли по одной линии и проводили перпендикулярные линии в местах нахождения кромок сварных соединений. Слой с изображениями фиксировали, затем накладывали новый слой и измеряли размеры. Для этого обрисовывали форму сварных швов и линии сварных кромок, используя стандартные инструменты. Затем определяли площадь и ширину шва и ЗТВ. Используя инструмент «информация» и выбрав начало координат, снимали значения точек кривой линии, описывающей контур сварного шва.
Механические испытания сварных образцов (описанных в п. 2.2) проводили по ГОСТ 6996–70 в аккредитованных лабораториях: химической и металловедения ОАО ИАЦ «Кузбасстехэнерго»; ОАО «Юргинский машзавод».
Средства измерения: универсальная разрывная машина ЦДМУ-30, заводской № 2271/55/1 (погрешность измерения 1%); копер маятниковый МК, заводской № 32, (погрешность измерения 3%). Для проведения механических исследований были подготовлены образцы по схеме, представленной на рисунке 2.11.
Исследование санитарно-гигиенических характеристик воздуха рабочей зоны проводили на специализированной аппаратуре с привлечением сотрудников следующих организаций: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Кемеровской области»; филиал ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Кемеровской области» в г. Юрге и Юргинском районе; аккредитованный испытательный лабораторный центр г. Юрги.
Сварочный аэрозоль (СА) представляет собой сложные газоаэрозольные смеси химических веществ, выделяющихся при высокотемпературных процессах обработки материала. Дисперсная фаза или же твердая составляющая СА (ТССА) состоит из мельчайших частиц перенасыщенных паров металлов и других веществ, входящих в состав сварочных, присадочных, напыляемых материалов и основного металла, которые конденсируются за пределами зоны высокотемпературного нагрева [126]. Газовая составляющая СА (ГССА) представляет собой смесь газов, образующихся при термической диссоциации газо- и шлакообразующих компонентов этих материалов (СО, СО2, HF и др.) или же за счет фотохимического действия ультрафиолетового излучения дугового разряда (плазмы) на молекулы газов воздуха (NO, NO2, О3) [11].
Отбор проб воздуха для определения уровня загрязнения воздушной среды при сварочных, наплавочных работах, резке и напылении металлов следует проводить в зоне дыхания работающих под маской сварщика [126].
Независимо от способа сварки металлов СА может иметь близкий химический состав и соотношение отдельных ингредиентов ТССА и ГССА. В связи с этим их целесообразно группировать в укрупненные классы газоаэрозольных смесей относительно постоянного состава, контроль за содержанием которых в воздухе рабочей зоны допускается проводить по наиболее опасным и характерным компонентам ТССА и ГССА [126].
Отбор проб забора воздуха производится на рабочем месте в производственных условиях. Любые отступления от действующего технологического процесса (несоблюдение режимов сварки, применение «нетипичных» сварочных и наплавочных материалов и др.) или неправильная эксплуатация оборудования и всех предусмотренных средств предотвращения загрязнения воздуха вредными веществами (устройств вентиляции, укрытий и др.) подлежат устранению до начала проведения измерений.
Разовое определение концентраций вредных веществ должно производиться при непрерывном или последовательном отборе проб ТССА и ГССА в течение 15-минутного стандартного отрезка времени. Если чувствительность методов анализа позволяет в течение 15 минут отобрать не одну, а несколько последовательных проб, то для сопоставления с величинами ПДК концентрацию того или иного наиболее опасного и характерного вредного вещества, выделяющегося в составе ТССА и/или ГССА, следует находить как среднюю величину из результатов измерений, выполненных за указанный период времени [126].
Методика определения санитарно-гигиенических характеристик воздуха рабочей зоны заключалась в следующем [125, 126]:
1) определение температуры и влажности в помещении с помощью психрометра перед проведением каждого отбора воздуха;
2) определение составляющей СА, используя газоанализатор (до сварки, во время сварки, после сварки в течение 10 минут).
Время работы аспиратора: 15 минут при определении ТССА и 5 минут – ГССА при каждом отборе пробы, протягивая за это время 0,2 м3 воздуха. Количество образующегося сварочного аэрозоля при сварке определяли по разности весов фильтров, через которые осуществлялось протягивание воздуха [125,126]:
V где М\ - масса фильтра после сварки и контрольного времени, г; М2 - исходная масса фильтра, г; V - объем протянутого через фильтр воздуха, м3.
В дальнейшем проводилось определение отдельных компонентов СА по методикам, представленным в таблице 2.2.
Используемое оборудование для проведения исследований составляющих компонентов воздуха рабочей зоны сварщика РД: газоанализатор «ЭЛАН» -предназначен для измерения массовой концентрации CO; аспиратор - для отбора проб воздуха типа М822; радиометр - «Кварц-41 - РАТ-2П».
Влияние скорости изменения основных энергетических параметров одного микроцикла режима сварки источника питания на параметры переносимых электродных капель
Видно, что наплавленный металл (рисунки 3.12, а; 3.13) при сварке с использованием диодного выпрямителя имеет неоднородное строение столбчатых дендритов, характерное для литого состояния. Ферритные пластины достигают в длину 1 мм, а в ширину 20 мкм. Межпластиночное пространство занято более мелкими дендритами. При большем увеличении установлено, что ферритные пластины состоят из полиэдрических зерен размерами около 14,5 ± 0,28 мкм (приложение Е, таблица Е.1). Другие фазы и структурные составляющие, кроме феррита, не обнаруживаются, что соответствует составу стержня электрода LB 52U. Диодный выпрямитель
Структура наплавленного металла в сварном шве, который был выполнен с использованием инверторного выпрямителей (рисунки 3.12, б; 3.13), значительно более однородная. Столбчатый характер проявляется слабо. Длина ферритных пластин не превышает 50 мкм, а толщина достигает, так же как и в предыдущем случае, 20 мкм. Средний размер ферритных зерен, из которых состоят дендриты, – 12 ± 0,64 мкм (приложение Е, таблица Е.1).
Переход от наплавленного металла к зоне термического влияния и затем к структуре основного металла происходит плавно без резких изменений как при использовании диодного выпрямителя (рисунок 3.12, в), так и инверторного (рисунок 3.12, г). В обоих случаях зона термического влияния представлена полиэдрическими зернами феррита.
В зоне термического влияния сварного соединения, полученного с использованием диодного источника (рисунки 3.12, в; 3.13), размер ферритного зерна несколько выше и достигает 10,3 ± 0,32 мкм (приложение Е, таблица Е.1). В структуре присутствует перлит в количестве, соответствующем основному металлу (сталь 09Г2С). Общая ширина зоны термического влияния достигает 2 мм. При использовании инверторного выпрямителя (рисунки 3.12, г; 3.13) средний размер зерна 8,5 ± 0,32 мкм (приложение Е, таблица Е.1). Перлитные включения практически отсутствуют. По-видимому, произошло это из-за диффузии углерода в обезуглероженный наплавленный металл. Ширина зоны термического влияния невелика и не превышает 1 мм.
Структура основного металла – феррито-перлитная (рисунок 3.12, д, е). Объемная доля перлита на уровне 10–12 %, что соответствует химическому составу стали 09Г2С. Зерна феррита полиэдрические с хорошо оформленными, чистыми границами.
Применение инверторного выпрямителя при РД вместо диодного выпрямителя позволяет получить сварное соединение с более однородной и мелкозернистой структурой наплавленного металла (рисунки 3.12, 3.13). Отличия микроструктур сварного шва, отмеченные на рисунках 3.12, 3.13, можно объяснить меньшим теплосодержанием капли расплавленного электродного металла при сварке от инверторного выпрямителя и, следовательно, меньшим выгоранием кремния и марганца (таблицы 3.10, 3.13).
Структура наплавленного металла в сварном шве, выполненном с использованием инверторного источника (рисунки 3.14, а; 3.15), чисто ферритная и однородная. Средний размер ферритных зерен несколько меньше и составляет 9,2 ± 0,54 мкм (приложение Д, таблица Д.2). В небольшом количестве присутствует мелкодисперсная фракция. Инверторный выпрямитель
Фотографии образцов микроструктуры из стали 45 [139]: а, б – сварной шов; в, г – ЗТВ; д, е – основной металл Наплавленный металл при сварке с использованием диодного выпрямителя представлен на рисунках 3.14, б и 3.15. Ферритные зерна полиэдрические и практически равноосные. Средний размер ферритных зерен составляет 12 ± 0,69 мкм (приложение Е, таблица Е.2). При большом увеличении видно, что в промежутках между этими крупными зернами присутствуют конгломераты очень мелких (меньше одного микрометра) зерен феррита. Другие фазы и структурные составляющие, кроме феррита, не обнаруживаются, что соответствует составу стержня электрода УОНИ-13/55 (0,07 % С).
Переход от наплавленного металла к зоне термического влияния и затем к структуре основного металла происходит плавно без резких изменений как при использовании диодного выпрямителя (рисунок 3.14, г), так и инверторного (рисунок 3.14, в). В обоих случаях зона термического влияния представляет собой поликристаллический агрегат их ферритных зерен и перлитных колоний. Содержание перлита плавно возрастает по мере удаления от наплавленного металла к основному и достигает 50 % по объему.
При использовании диодного источника (рисунки 3.14, г; 3.15) средний размер ферритных зерен составляет 4,4±0,67 мкм (приложение Е, таблица Е.2). Такие же средние размеры и у перлитных колоний. Ширина зоны термического влияния достигает 8 мм. В зоне термического влияния сварного соединения, полученного с использованием инверторного выпрямителя (рисунки 3.14, в; 3.15), размер ферритного зерна практически такой же – 4±0,32 мкм. Общая ширина зоны термического влияния заметно меньше ( 6 мм). Это свидетельствует о меньшем тепловложении и перегреве свариваемого изделия.
Структура основного металла феррито-перлитная (рисунки 3.14, д, е). Объемная доля перлита – на уровне 55 %, что соответствует химическому составу стали 45. Зерна феррита – полиэдрические, с хорошо оформленными, чистыми границами. Средний размер их в обоих случаях, как и следовало ожидать, одинаков 12,5 ± 0,39 мкм (приложение Е, таблица Е.2). Важно подчеркнуть, что при формировании сварных соединений происходит значительное (почти в три раза) измельчение структуры в зоне термического влияния.
Таким образом, применение инверторного выпрямителя позволяет получить сварное соединение с более однородной и мелкозернистой структурой наплавленного металла и ЗТВ (рисунки 3.14, 3.15) и более узкой градиентной зоной термического влияния.
Расчет энергосбережения от внедрения инверторного источника питания
Инверторные выпрямители, в отличие от традиционных диодных выпрямителей, позволяют получить не только качественную сварку (более стабильный процесс, меньшая величина разбрызгивания, уменьшение зоны термического влияния), но и существенную экономию электроэнергии за счет высокого КПД [78, 81].
Для оценки снижения потребления электрической энергии и эффективности замены диодного выпрямителя на инверторный выпрямительный источник питания произвели расчет экономической целесообразности такой замены, представленный в таблице 4.2.
Различные энергетические характеристики сварочных источников питания и осциллограммы тока в сварочной цепи и напряжения между электродом и изделием (п. 3.1, рисунки 3.1, 3.2) предопределяют и различное потребление энергии из электрической сети. Для проверки этого был произведен расчет стоимости электроэнергии для питания одного сварочного поста в режиме РД, потребляемой за год работы. При расчетах было условно принято: количество рабочих дней в году – 248; время непрерывной работы источника – 60 %, что соответствует 1190 часам; стоимость 1 кВА/час – 2,5 руб.
На покупку инверторного источника питания мы тратим на 35 110 руб. больше, но за один год мы экономим на электроэнергии при односменной работе 20 538 руб. и 41 076 руб. – при двухсменной работе на один пост (таблица 4.3). Количество сварочных постов на промышленных предприятиях средней величины – от 10 до 50 штук. Годовая экономия электроэнергии становится довольно ощутимой, что снижает себестоимость изготовления сварной конструкции.
Произведенный расчет авторами статьи [157] также подтверждает снижение потребления электрической энергии инверторным источником питания при механизированной сварке в смеси газов на 52 тыс. рублей в год на один сварочный пост по сравнению с обычным выпрямителем.
Разработка рекомендаций при проведении работ РД, обеспечивающих повышение качества сварных соединений. Эффективность использования электроэнергии и электродов
На основе проведенных экспериментальных исследований (описанных в главе 3) были выработаны рекомендации при РД:
1. Использование инверторного выпрямителя обеспечивает высокое качество сварки по сравнению с диодным выпрямителем, а именно: уменьшение тепловложения в каплю электродного металла; повышение стабильности процесса РД; снижение количества потерь электродного металла на разбрызгивание; уменьшение протяженности зоны термического влияния; более высокий коэффициент перехода легирующих элементов; улучшение структуры сварного соединения; повышение механических характеристик сварного соединения.
2. Наиболее оптимальным режимом с точки зрения минимальной величины разбрызгивания, набрызгивания и оптимальной скорости плавления для электродов диаметром 3 мм является ток 100 А.
3. Применение инверторного выпрямителя увеличивает переход легирующих элементов из сварочных материалов в сварной шов, что позволяет рекомендовать производителям электродов снижать содержание количества легирующих элементов (Si, Мп) в обмазке электродов, что приведет к уменьшению себестоимости сварной конструкции в целом.
Проведено опытное апробирование выработанных технических рекомендаций по повышению эффективности ручной дуговой сварки магистральных трубопроводов на предприятии ОАО «Металлургмонтаж» с 2013 года.
В условиях данного предприятия было произведено переоснащение сварочного оборудования с диодных выпрямителей на инверторные выпрямители согласно выработанным рекомендациям, приведенным в п. 4.2. Долевое участие диссертационной работы Д.П. Ильященко в получении эффекта составило 50 %.
Акт использования результатов научно-исследовательской работы приведен в приложении Ж. 4.5. Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе Результаты исследования «Влияние энергетических параметров инверторных источников питания на структуру и свойства неразъемных соединений при ручной дуговой сварке» внедрены в учебный процесс Юргинского технологического института (филиала) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» и используются при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 15.03.01 «Машиностроение», в дисциплинах «Технология конструкционных материалов», «Технология сварки плавлением и термической резки», а также при выполнении выпускных квалификационных научно-исследовательских работ.
Экспериментальные исследования вошли в раздел «Инверторный выпрямительный источник питания – энерго- и ресурсосберегающий фактор сварочного производства» учебного пособия «Источники питания для дуговой сварки» авторов С.А. Солодского, О.Г. Брунова, Д.П. Ильященко (Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 165 с. (Гриф УМО РАЕ). Размещение на сайте Единого окна доступа к образовательным ресурсам http://window.edu.ru).