Технологические особенности дуговой сварки плавящимся электродом и сварки модулированным током

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Одним из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений является дуговая сварка плавящимся электродом. Однако использование данного способа связано с определенными трудностями. В частности, главной проблемой является нестабильный перенос электродного металла в сварочную ванну, сопровождающийся его повышенным разбрызгиванием. Это негативно отражается на технологическом процессе изготовления сварных конструкций: необходимы дополнительные операции по очистке поверхности деталей от брызг металла, что в целом снижает эффективность производства.

В связи с этим выделяют две основные задачи с точки зрения совершенствования процесса сварки плавящимся электродом: уменьшение разбрызгивания электродного металла и повышение стабильности процесса сварки. Решение данных задач реализуют посредством модуляции тока.

К настоящему времени известен ряд способов, повышения эффективности каплепереноса. Значимый вклад в данном направлении внесен учеными: Потапьевским А.Г., Зарубой И.И., Князьковым А.Ф., Сараевым Ю.Н., Лебедевым В.К., Патоном Б.Е., Вагнером Ф.А., Воропаем Н.М., Дудко Д.А., Дюргеровым Н.Г., Подолой Н.В., Шигаевым Т.Г. и многими другими.

1. Литературный обзор

1.1 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами при строительстве газопроводов

Область применения ручной дуговой сварки в строительстве газопровода.

При строительстве газопровода одной из самых востребованных профессий является профессия сварщика. Сварка, как метод соединения труб в газопроводе, используется наиболее часто, так как именно сварное соединение является наиболее прочным и надежным. Кроме того, при таком виде соединений не требуется применение никакой специальной запорной арматуры, а значит и обслуживание газопровода существенно облегчается. Это очень важно, так как во многих случаях доступ к месту соединения труб в газопроводе бывает затруднен.

Самым распространенным методом сварки при работе с газопроводами является ручная дуговая сварка. Конечно, скорость работы при применении такого метода сварки ниже, чем скорость сварки с применением автоматического или механизированного метода - если при ручной сварке максимальная скорость составляет 20 метров в час, то при автоматической может достигать 60 метров в час. Но довольно часто сварочные работы по трубопроводу просто невозможно производить при помощи автоматизированной сварки. При этом ручная сварка труб может применяться практически в любом месте и при любом положении стыка труб - и вертикальном, и горизонтальном, и нижнем, и потолочном.

Для строительства магистральных трубопроводов, в том числе и газопроводов, применяют трубы стальные бесшовные, электросварные прямошовные, спиральношовные и других специальных конструкций из спокойных и полуспокойных углеродистых сталей диаметром до 500 мм, из спокойных и полуспокойных низколегированных сталей диаметром до 1020 мм и низколегированных сталей термически или термомеханически упрочненном состоянии диаметром до 1420 мм.

Важной составляющей характеристикой труб является ее климатическое исполнение в зависимости от условий строительства и эксплуатации.

Сталь для труб должна быть хорошо свариваемой дуговыми методами сварки. При строительстве систем газоснабжения кроме требований рабочих проектов следует соблюдать требования СНиП 3.01.01-85, СНиП 3.05.02-88, СНиП 3.01.03-84, СНиП III-4-80, СНиП 3.01.04-87, а также «Правил безопасности в газовом хозяйстве" и "Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержденных Госгортехнадзором.

Сварные соединения трубопроводов должны отвечать требованиям ГОСТ 16037-80.

Техника ручной дуговой сварки покрытыми электродами газопроводов.

Ручная дуговая сварка плавящимся покрытым электродом (далее - РДС) - дуговая сварка плавящимся электродом, выполняемая вручную с ис- пользованием покрытого электрода. Сущность способа: к электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток (рис. 1.1). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность.

При соединении труб стыки могут быть как поворотными, так и неповоротными. Кроме того, последовательность сварных работ зависит и от диаметра труб.

При сварке стыков труб используют следующие технологические варианты ручной дуговой сварки:

- корневой слой шва и «горячий» проход выполняют электродами с целлюлозным видом покрытия, последующие слои - электродами с основным видом покрытия;

- все слои шва - электродами с целлюлозным видом покрытия;

- все слои шва - электродами с основным видом покрытия.

Рисунок 1.1 - Схема ручной дуговой сварки покрытыми электродами: 1 - заготовка; 2 - сварной шов; 3 - шлак; 4 - дуга; 5 - покрытый электрод; 6 - электродержатель; 7 - источник питания

Применение электродов с целлюлозным видом покрытия для сварки корневого шва позволяет увеличить темпы сварки, производительность и качество работ.

От механики выполнения корневого слоя шва во многом зависит качество сварного шва и эксплуатационная надежность стыков трубопроводов в целом. Для обеспечения требуемого качества сварку корневого слоя шва следует выполнять методом «замочной скважины»: в процессе сварки сварщик постоянно должен наблюдать за торцом электрода. Наличие просвета (замочной скважины) позволяет сварщику осуществлять непрерывное наблюдение за процессом оплавления кромок.

Угол наклона при сварке корневого, «горячего» и последующих проходов указан на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Типичный угол наклона электрода с целлюлозным видом облицовочный шов: а - корневой слой, б - «горячий» проход, в - заполняющие слои; г - покрытия в зависимости от пространственного положения сварки и последовательности выполнения слоев шва

При выполнении «горячего» прохода сварщик осуществляет колебательные движения торцом электрода вдоль оси шва. Такая техника выполнения шва позволяет шлак и часть расплава из сварочной ванны давлением дуги и концентрированного газового потока, образующегося при сгорании целлюлозного покрытия, уводить вверх, обнажая дно сварочной ванны.

Таким образом, в задачу сварщика при "горячем" проходе входит не столько наплавление второго слоя, сколько удаление любых наружных дефектов с корневого слоя, получение ровной "подложки"для последующих слоев и в определенной степени модифицирование микроструктуры металла корневого слоя. Кроме того, такая техника сварки в вертикальном положении шва позволяет удерживать сварочную ванну от стекания.

Третий слой варят практически без колебаний, только перемещая торец электрода вдоль шва.

Если данное место стыка собрано с максимальным зазором и разделка широкая, то осуществляются колебательные движения поперек шва.

Четвертый и последующие слои сваривают традиционными зигзагообразными колебательными движениями.

Сварка сверху вниз специальными электродами с основным видом покрытия осуществляется следующим образом.

Исходное положение электрода относительно трубы при всех пространственных положениях сварки должно быть перпендикулярно к касательной окружности в точке возбуждения дуги (рис. 1.3).

Сварку корневого слоя шва выполняют электродами диаметрами 3 или 3,25 мм; при этом зазор выставляется ближе к верхнему пределу обычно рекомендуемого диапазона (2,5 -- 3 мм).

Сварку осуществляют легким опиранием на свариваемые кромки и ведением электрода сверху вниз без поперечных колебаний.

Усилие на электрод в отличие от варианта сварки электродами с целлюлозным видом покрытия минимально.

Скорость сварки должна быть не менее 10, но не более 15 м/ч.

Толщина корневого слоя шва из-за повышенного коэффициента наплавки и меньшей скорости сварки (в сравнении с электродами с целлюлозным покрытием) не меньше, чем суммарная толщина корневого слоя шва плюс "горячего" прохода при сварке электродами с целлюлозным видом покрытия.

Благодаря особенностям формирования корневого слоя шва сварка электродами этого вида осуществляется без образования зашлакованных карманов, формы этого шва более плавные, чем в случае электродов с целлюлозным видом покрытия, шлифовка абразивным кругом после сварки не требуется, шлак отделяется хорошо, ввиду формирования низко-водородистого металла и благоприятной формы наружной поверхности корневого слоя, проведение "горячего" прохода необязательно.

Рисунок 1.3 - Положение электрода в начальный момент сварки электродами с основным покрытием

Сварка заполняющих и облицовочного слоев шва обычно осуществляется электродами диаметром 4 мм без поперечных колебаний (многоваликовые слои) с высокой линейной скоростью до 26 м/ч. Низкое разбрызгивание и повышенный коэффициент наплавки делают эти электроды при сварке заполняющих слоев конкурентоспособными электродам с целлюлозным видом покрытия диаметром 5 и даже 5,5 мм.

Перенос электродного металла в сварочную ванну при ручной дуговой сварке.

При дуговой сварке плавящимся электродом металл с электрода переносится в сварочную ванну в виду капель, нагретых до температур, значительно превышающих температуру плавления, и в виде паров.

Основные этапы образования и переноса жидкого металла с электрода в сварочную ванну при дуговой сварке плавящимся электродом показаны на рис. 1.4.

Под действием тепла дуги на торце электрода образуется и растет капля жидкого металла, удерживаемая силами поверхностного натяжения. По мере ее увеличения в результате действия силы тяжести и электромагнитных сил форма капли изменяется, длина дуги в целом сокращается. Это уменьшает напряжение дуги и увеличивает силу тока. Дальнейшее увеличение капли приводит к замыканию дугового промежутка и ее отрыву.

При увеличении силы тока средний размер капель уменьшается, они чаще отрываются от электрода и, пересекая дуговой промежуток, попадают в ванну.

Рисунок 1.4 - Этапы образования и переноса жидкого металла с электрода в сварочную ванну: а, б - образование капли на торце электрода; в - появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электрода; г - замыкание каплей дугового промежутка; д - разрыв образованного мостика и возникновение дуги

В результате взрывообразного процесса отрыва частей капель от торца электрода некоторые из них отбрасываются в сторону в виде брызг металла.

Потери на разбрызгивание увеличиваются с увеличением силы тока.

При достаточно большой плотности тока в электроде его плавление имеет характерный струйный перенос.

При сварке штучными толстопокрытыми электродами или электродами с качественным покрытиемпод действием дуги плавится и частично переходит в газообразное состояние не только металл, но и покрытие. При этом обычно плавление покрытия несколько отстает от плавления электродного стержня, образуя «чехольчик». И в этом случае капли, пересекающие дуговой промежуток, могут быть как крупными, сопоставимыми с диаметром электродного стержня, так, и мелкими.

Шлак, получающийся в результате расплавления покрытия, переносится в дуге частично в виде капель, а частично в виде шлакового покрова на каплях металла и внутри их. Газовыделение при плавлении электрода, в частности при наличии «чехольчика» покрытия на торце электрода, приводит к интенсивному газовому дутью, направленному от электрода к ванне. Кроме того, газы в ряде случаев образуются и внутри капель, например в результате окисления углерода в стали и образования СО. В связи с этим многие капли, особенно мелкие, являются пустотелыми, с малой средней плотностью.

Достоинства и недостатки ручной дуговой сварки покрытыми электродами при строительстве, монтаже газопровода.

Ручная сварка, как известно, классифицируется на множество режимов работы и способов, подразумевает использование различных устройств, оборудования и приспособлений, но конечная цель всегда остается одной - изготовить и получить в конечном результате качественный шов. Это качество во многом зависит не только от того, какие виды ручной сварки используются, но и от множества различных факторов и нюансов, например материалы, с которыми будет работать сварка, внешнее состояние и оценка поверхности, которая сваривается, качество подготовленных для сваривания кромок и так далее. Одним словом, выбирая ту или иную технику для сварки, нельзя говорить, что предопределяется конечный результат.

В зависимости от того, какая форма изделия используется при сварке, и какой размер этого изделия, возможна работа в различных положениях относительно пространства. Так, такие положения разделяются на нижние и потолочные, а также вертикальные и горизонтальные, соответственно. Это тоже довольно важный момент, поскольку от этого может зависеть способ ручной сварки.

Наиболее распространенная дуговая при изготовлении и сваривании металлических сварных конструкций - это сварка покрытыми электродами. Это объяснимо по нескольким причинам, однако популярность ручной сварки заключается и простоте и мобильности данной техники сваривания в целом, аппаратов и оборудования, которые используются, а также использования ее в любом из вышеперечисленных пространственных положений. Кроме того, дуговая сварка дает возможность работать даже в труднодоступных местах.

Однако у этой технологии есть недостатки.

В первую очередь, низкая производительность. Это связано не только с отсутствием автоматизированных и механизированных установок, а и с высоким коэффициентом потери электродного материала в результате разбрызгивания. Если говорить о мобильности и невозможности использовать другие виды сварки в монтажных условиях трубопровода, то ручная дуговая сварка является отличным решением проблемы, однако имеет смысл применять технологии, повышающие качество сварного шва и производительность путем изменения крупнокапельного переноса металла на мелкокапельный и струйный.

Ручная дуговая сварка позволяет выполнять любые сварные швы в любых пространственных положениях, что делает ее незаменимой в строительстве газопроводов и других трубопроводов. Однако стоит заметить, что при сварке в положениях отличных от нижнего, под действием силы тяжести, сварочная ванна стекает, ухудшая формирование сварочного шва. В этом случае конечный результат, а именно качественный шов, будет напрямую зависеть от умений и квалификации сварщика. Кроме того, сложно переоценить роль корневого шва при сварке трубопровода, который определяет прочность всей конструкции.

Немаловажным является и то, что переизбыток тепловых вложений в сварочный шов сказывается на структуре шва, вызывая рост кристаллов.

Кроме этого, большие тепловложения в изделие способствуют большим сварочным деформациям и остаточным напряжениям. Данное обстоятельство будет немаловажным при строительстве газопровода с высоким давлением газа.

Поэтому остается немаловажным контролировать процесс сварки, а именно правильно регулировать режимы. Но для расплавления электродного покрытия и поддержания стабильной дуги необходим ток определенного значения, который называется критическим. Поэтому данное решение проблемы имеет ограничения.

Если же технологией предусмотрен высокий сварочный ток то, чтобы предупредить протекание расплавленного металла во внутрь трубы, сварку выполняют при наименьших зазорах от 1 до 2 мм при толщине стенки труб от 5 до 25 мм. Кроме того, первый слой следует наваривать так, чтобы получить плоскую или несколько вогнутую поверхность шва. Это обеспечивает лучший провар корня шва и более качественное формирование последующего слоя. И в данной ситуации сварщик обязан следить за тем, чтобы не было прожогов.

Трудности с ручной дуговой сваркой возникают еще тогда, когда для трубопроводов используется легированная аустенитная сталь 0Х18Н10Т. Существенный недостаток сварных соединений этих трубопроводов состоит в склонности к образованию околошовных трещин.

Немаловажной характеристикой сварного шва является его структура, особенно это важно при сварке и эксплуатации труб в условиях крайнего севера. Но, к сожалению, этот параметр средствами ручной дуговой сварки контролировать практически невозможно.

Все вышеперечисленные недостатки ручной дуговой сварки покрытыми электродами возможно решить, применив технологию ручной дуговой сварки модулированным током.

1.2 Общие представления о сварке модулированным током

Процесс сварки модулированным током (СМТ) предполагает периодическое, заранее запрограммированное изменение энергетических параметров системы источник питания - сварочная дуга между высоким (импульс) и низким (пауза) уровнями. В течение импульса тока расплавляется основная часть электродного и свариваемого металла, а в последующий период паузы происходит кристаллизация большей части сварочной ванны.

Основная схема изменения силы тока при РД сварке покрытым электродом, модулированным током приведена на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 - Схема изменения тока при способах сварки модулированным током применяемая для улучшения формирования металла шва во всех пространственных положениях за счет уменьшения размеров сварочной ванны и увеличения скорости кристаллизации: Iи - ток импульса; Iп - базовый ток (ток паузы); Iср - средний ток; tи - продолжительность импульса; tп - продолжительность паузы; Тц - продолжительность цикла модуляции сварочного тока

дуговой сварка металл электрод

СМТ позволяет более тонко, чем непрерывная сварка, обеспечивать дозирование теплоты, поступающей в сварочную ванну. Эта особенность СМТ позволяет значительно облегчить сварку в вертикальном и потолочном положениях. При выполнении сварки в указанных пространственных положениях сварщик вынужден регулировать жидко-текучесть ванны и совершать различные манипуляции концом электрода для обеспечения удовлетворительного формирования шва. При этом сварщик постоянно находится в напряженном состоянии и не может обеспечить стабильность качества шва.

Модулирование сварочного тока представляет возможность освободить сварщика от трудоемкой операции по дозированию теплоты, вводимой в сварочную ванну и переложить ее на специальное устройство- модулятор. Сварщику же остается лишь заполнять разделку шва, техника сварки значительно упрощается и становится доступной даже начинающему.

Наложение импульсов тока на дугу небольшой мощности при сварке плавящимся электродом позволяет получить управляемый мелкокапельный перенос электродного металла. Если амплитудное значение тока импульса превышает критическую для данных условий величину, а частота следования импульсов ?25 Гц, то каждым импульсом в сварочную ванну будет переноситься одна капля электродного металла. Под термином «критический ток» понимают такую величину сварочного тока, при которой размер переносимых через дуговой промежуток капель металла резко уменьшается, а частота их образования соответственно увеличивается. Средняя величина тока при этом на 30-40% меньше номинального значения. За счет устранения коротких замыканий дугового промежутка каплями электродного металла значительно улучшается стабильность процесса сварки, характер переноса капель практически не зависит от пространственного положения шва.

Преимущества СМТ:

- обеспечивается управляемый мелкокапельный перенос электродного металла при средних токах дуги;

- снижаются тепловложения в основной металл при неизменной глубине проплавления, размеры зоны перегрева, остаточные напряжения и деформации сварного соединения;

- улучшаются качество наплавленного металла шва и механические свойства, обеспечиваются условия для однородного формирования сварного шва независимо от его пространственного положения;

- измельчается структура металла шва и зоны термического влияния за счет воздействия пульсирующего теплового поля;

- облегчаются сварка неповоротных стыков трубопроводов и?укладка шва в труднодоступных местах.

Параметры режима СМТ, помимо обычных, включают: ток в период импульса, ток в период паузы, время импульса и время паузы. Кроме того нашли применение производные параметры - жесткость = и глубина модулирования сварочного тока =. Эффективная сила тока дуги может определяться либо как средняя величина.

ср=,

Либо как среднеквадратическая величина.

эф=

2. Экспериментальная часть

С целью определения влияния рода тока и его модуляции на микроструктуру металла шва были проведены экспериментальные исследования. Для этого производили наплавку валиков электродами с покрытием марки LB-52U типа Э50А диаметром 3,2 мм в нижнем положении на пластину из стали 09Г2С толщиной 12 мм. Перед наплавкой, поверхность пластины зачищали до металлического блеска универсальной угловой шлифовальной машинкой УШМ-125. Питание сварочной цепи осуществляли постоянным и модулированным током обратной полярности. Список оборудования, использованного при эксперименте, приведен в разделе 2.3.Температура пластины перед наплавкой каждого из валиков составляла 25°C, чтобы избежать термического влияния на ранее наплавленный металл.

На рисунке 2.1 и 2.2 приведены осциллограммы тока в сварочной цепи для каждого из экспериментов, по которым были определены фактические параметры режимов наплавки валиков (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Параметры режимов наплавки валиков

На рисунке 2.3 представлена пластина с наплавленными валиками.

Каждый полученный валик был клеймен согласно очередности наплавления и соответствующего рода тока 1 и 2.

Рисунок 2.1 - Осциллограмма постоянного тока обратной полярности (мt =500 мс/дел; мi = 20А/дел; Iсв = 116 А)

Рисунок 2.2- Осциллограмма униполярного модулированного тока(мt = 500 мс/дел; мi = 50 А/дел; Iсв = 128 А)

После проведения наплавки на пластину, полученные валики подвергали визуальному осмотру, по результатам которого видимых дефектов обнаружено не было. С целью анализа влияния рода тока на свойства металла шва, исследовали его макро- и микроструктуру (рис. 2.4).

Рисунок 2.3 - Пластина с наплавленными валиками: 1 - униполярный модулированный ток; 2 - постоянный ток обратной полярности

Рисунок 2.4 - Микроструктура металла швов: постоянный ток обратной полярности

Анализ микроструктуры сварных соединений показал, что применение униполярного модулированного тока способствует получению мелкозернистой структуры металла шва по сравнению со структурой, полученной в шве при сварке на постоянном токе обратной полярности (рисунок 2.4).

Кроме того, применение модулированного тока также оказывает влияние на строение околошовной зоны. В частности уменьшается протяженность участка перегрева с крупным зерном, ко шву примыкает участок со структурой металла в нормализованном состоянии.

Микротвердость на шлифах определяли с помощью прибора HV-1000 при нагрузке 500 гр. с шагом по глубине 200 мкм (ГОСТ 9450-76). Было произведено по 120 замеров на каждом образце в виде дорожек. Для сопоставления данных были построены графики диаграмм микротвердости наплавленного металла при разных сварочных токах (рисунок 2.5 и 2.6). Отличия микротвердости наплавленного металла в этих образцах не большая.

Рисунок 2.5 -Микротвердость образца на постоянном токе обратной полярности

На рисунке 2.7 изображена гистограмма, отображающая рост зерна при сварке постоянным током и униполярным модулированным током.

Анализ гистограммы свидетельствует об уменьшении среднего размера зерна при использовании модуляции сварочного тока.

Очевидно, что при сварке модулированным током размер зерна меньше, что благоприятно сказывается на механических свойствах сварного шва.

Рисунок 2.6 - Микротвердость образца на униполярном модулированном токе

Рисунок 2.7- Анализ размера зерен образцов: 1 - образец, сваренный постоянным током обратной полярности; 2 - образец, сваренный постоянным модулированным током

А значит, получение качественного соединения при сварке покрытыми электродами возможно, как на постоянном токе, на переменном прямоугольном токе повышенной частоты, так и на переменном модулированном токе.

Литература

1. Управление переносом электродного металла при сварке в СО2 с короткими замыканиями дугового промежутка. Ю.Н. Сараев // Автоматическая сварка. - 1988 .- № 4.

2. Строительство магистральных трубопроводов: справочник/В.Г. Чирсков, Березин В.Л., Телегин Л.Г. и др. - М.: Недра, 1991. - 475с.

3. Сварка трубопроводов: учеб. пособие / Ф.М. Мустафин, Н.Г. Блехерова, О.П. Квятковский и др. - М.: Недра, 2002. - 350c.

4. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов: учебник для вузов. / Г.Л. Петров, А.С. Тумарев. - М.:"Высш. шк.", 1977. - 392с.

5. Шигаев Т.Г. Сварка модулированным током // Итоги науки и техники. Сварка. Том 17. М. - 1989. - С. 91 - 132.

Размещено на Allbest.ru