Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 621.791.053.7:669.295

УПРАВЛІННЯ ФОРМУВАННЯМ ШВА ПРИ ЗВАРЮВАННІ СПЛАВІВ ТИТАНУ У ВУЗЬКИЙ ЗАЗОР ВОЛЬФРАМОВИМ ЕЛЕКТРОДОМ

З МАГНІТОКЕРОВАНОЮ ДУГОЮ

Спеціальність - 05.03.06

«Зварювання та споріднені процеси і технології»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Білоус Валерій Юрійович

Київ - 2008



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Ахонін Сергій Володимирович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Коротинський Олександр Євтіхійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом

кандидат технічних наук, доцент Рижов Роман Миколайович, Національний технічний університет України «КПІ», доцент

Захист відбудеться « 11 » червня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий « 5 » травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Л.С. Киреєв



АНОТАЦІЯ

Білоус В. Ю. Управління формуванням шва при зварюванні сплавів титану у вузький зазор вольфрамовим електродом з магнітокерованою дугою. - Рукопис. оплавлення зварювання дуга електромагнітний

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.06 «Зварювання та споріднені процеси і технології». Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ 2008.

Робота присвячена вивченню особливостей процесів, що протікають при зварюванні у вузький зазор з накладенням зовнішнього керуючого електромагнітного поля, яке застосовується для управління відхиленням зварювальної дуги та регульованого оплавлення вертикальних стінок зазору.

Визначено вплив параметрів керуючого магнітного поля на переміщення дуги у вузькому зазорі та формування зварного шва. Встановлено закономірності переміщення анодної плями у вузькому зазорі під дією зовнішнього керуючого магнітного поля. Виявлено визначальну роль сили газодинамічного тиску плазми дуги на поверхню рідкого металу в збудженні поперечних коливань металу зварювальної ванни та змочуванні ним вертикальних стінок зазору. Встановлено, що вольфрамовий електрод для зварювання у вузький зазор із зовнішнім керуючим магнітним полем повинен мати спеціальну форму робочої частини.

В результаті досліджень розроблені технологічні рекомендації для зварювання конструкцій з титанових сплавів ПТ-3В та ВТ23 товщиною 20…100 мм у вузький зазор із застосуванням формуючої підкладки, які забезпечують відсутність таких дефектів зварних з'єднань як непровари бокових стінок зазору та несплавлення металу шва з основним металом.

Ключові слова: зварювання у вузький зазор, вольфрамовий електрод, магнітне керування дугою, сплави титану, зварне з'єднання, механічні властивості.



АННОТАЦИЯ

Белоус В. Ю. Управление формированием шва при сварке сплавов титана в узкий зазор вольфрамовым электродом с магнитоуправляемой дугой - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 -«Сварка и родственные процессы и технологии». Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев 2008.

Работа посвящена изучению особенностей процессов, протекающих при сварке в узкий зазор с наложением внешнего управляющего магнитного поля, которое применяется для управления отклонением сварочной дуги и регулируемого оплавления вертикальных стенок зазора.

Сформулировано представление о механизме формирования сварного соединения в узкой разделке в условиях воздействия внешнего управляющего магнитного поля. Определено влияние параметров управляющего магнитного поля на перемещение дуги в узкой разделке и формирование сварного шва. Установлены закономерности перемещения анодного пятна в разделке под действием внешнего управляющего магнитного поля, и показано, что величина его смещения на вертикальные стенки прямо пропорциональна значению поперечной составляющей индукции магнитного поля и обратно пропорциональна величине сварочного тока. Экспериментально-расчетным методом выполнена оценка значения газодинамического давления дуги при СУЗ. Показано что при СУЗ с управляющим магнитным полем, в отличие от сварки без внешнего магнитного воздействия, имеют место поперечные колебания металла сварочной ванны, причем, основная роль в возбуждении колебаний металла принадлежит силе давления дуги. Установлено, что формирование сварного шва оптимальной формы с одинаковым по высоте проплавлением вертикальных стенок, отсутствием непроваров и несплавлений обеспечивается при индукции управляющего магнитного поля 8…10 мТл. Установлен рабочий диапазон частоты реверсирования магнитного поля исходя из условия предотвращения несплавлений с поверхностью предыдущего слоя и основного металла. Определено численное значение коэффициента пропорциональности между величиной смещения вольфрамового электрода от оси разделки и величиной максимальной пульсации напряжения на дуге. Установлено, что вольфрамовый электрод для СУЗ с внешним управляющим магнитным полем должен иметь специальную форму рабочей части. Установлено, что при СУЗ с внешним реверсируемым магнитным полем имеет место явление колебания рабочей части неохлаждаемого вольфрамового электрода, связанное с воздействием силы от внешнего реверсируемого магнитного поля.

В результате исследований разработаны технологические рекомендации для сварки конструкций из титановых сплавов ПТ-3В и ВТ23 толщиной 20…100 мм в узкий зазор с применением съемной водоохлаждаемой формирующей подкладки, которые обеспечивают отсутствие таких дефектов сварных соединений как непровары вертикальных боковых стенок зазора и несплавления металла шва с основным металлом, и гарантируют высокий уровень механических свойств сварных соединений

Ключевые слова: сварка в узкий зазор, вольфрамовый электрод, магнитное управление дугой, титановые сплавы, сварное соединение, механические свойства.



ABSTRACT

Belous V.Yu. Control of weld formation in narrow-gap tungsten-electrode magnetically-impelled arc welding of titanium alloys - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical sciences degree in speciality 05.03.06 - “Welding and Related Processes and Technologies” - E.O.Paton Electric Welding Institute, NASU, Kyiv, 2008.

The work is dedicated to investigation of peculiarities of the processes occurring in narrow-gap welding with application of the controlling magnetic field, which is used to control deviation of the welding arc and regulate melting of the vertical walls of the gap. The effect of parameters of the controlling magnetic field on movement of the arc inside the narrow gap and weld formation was evaluated. Principles of movement of the anode spot inside the narrow gap under the effect of the external controlling magnetic field were established. The decisive role of gas-dynamic pressure of the arc plasma on surface of the molten metal in excitation of transverse oscillations of the weld pool metal and its wetting of the vertical edges was revealed. It was found that the tungsten electrode for narrow-gap welding using the external controlling magnetic field should have a tip of the special shape. The investigations conducted resulted in the development of technological recommendations for narrow-gap welding of structures of titanium alloys PT-3V and VT23, 20-100 mm thick, by using a forming backing, which provide the absence of such defects in the welded joints as lacks of fusion between the side walls and between the weld and base metals, and guarantee a high level of mechanical properties of the welded joints.

Key words: narrow-gap welding, tungsten electrode, magnetic control of the weld, titanium alloys, welded joint, mechanical properties.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки відбувається значне зростання обсягів використання сплавів титану в різних галузях промисловості, зокрема в судно- та авіабудуванні. В суднобудуванні найбільш широко використовується псевдо-б-сплав ПТ-3В (у_в = 630...880 МПа), при цьому значна кількість зварних з'єднань товщиною 20...100 мм виконується багатошаровим дуговим зварюванням. В авіабудуванні використовується високоміцний двофазний (б+в)-сплав ВТ23 (у_в ? 1300 МПа), з якого виготовляють зварні конструкції різних типів. Істотним недоліком багатошарового зварювання є великий об'єм наплавленого металу. Крім того, при багатошаровому дуговому зварюванні таких конструкцій в U- подібне або V-подібне розкриття можуть виникати характерні дефекти - непровари та міжшарові несплавлення. Наявність останніх важко виявляється рентгенівським контролем. Для зварювання конструкцій завтовшки 20...100 мм найбільш ефективною є технологія аргонодугового зварювання вольфрамовим електродом у вузький зазор. Дослідження в цьому напрямку активно проводяться в провідних індустріальних країнах світу - Японії, США, Німеччині та ін. В ІЕЗ ім. Є.О. Патона професором Замковим В.М. разом з к.т.н. Прилуцьким В.П. для титану було запропоновано спосіб зварювання у вузький зазор (ЗВЗ) вольфрамовим електродом із зовнішнім керуючим магнітним полем. Виконані дослідно-експериментальні роботи показали перспективність такого рішення. Однак при цьому не було встановлено закономірностей формування швів при ЗВЗ з керуючим реверсивним магнітним полем, не визначені причини виникнення дефектів у зоні сплавлення зварних швів та параметри керуючого магнітного поля, які забезпечать якісне та бездефектне формування металу шва при зварюванні сплавів титану.

Характерною рисою зварних з'єднань високоміцних титанових сплавів є їхня чутливість до наявності у швах концентраторів напружень, якими виступають непровари, несплавлення, пори. Для запобігання утворенню цих дефектів у процесі ЗВЗ необхідно вивчити закономірності формування металу шва у вузькому зазорі під дією керуючого магнітного поля. Тому для розробки технології ЗВЗ титанових сплавів необхідно встановити особливості розподілу теплової енергії зварювальної дуги, яка переміщується в магнітному полі, визначити вплив його параметрів на оплавлення основного металу та утворення таких дефектів, як непровари і несплавлення, вивчити вплив керуючого магнітного поля на мікроструктуру металу шва та пористість. В цілому, керування просторовим положенням джерела нагріву за допомогою зовнішнього керуючого магнітного поля значно розширює технологічні можливості дугового розряду при ЗВЗ. Тому дослідження способу ЗВЗ, підвищення його надійності та ефективності стосовно до сплавів титану є на сьогоднішній день актуальним завданням.

Технологія зварювання у вузький зазор, яка розробляється, знайде застосування при виготовленні конструкцій в суднобудуванні, при конструюванні апаратів глибоководного занурення, при виробництві хімічних реакторів та інших виробів з титанових сплавів, що підтверджує актуальність роботи.

Зв'язок дисертації з науковими програмами.

Дослідження проводились в рамках програми №30/10 «Дослідити фізико-металургійні особливості впливу технології виготовлення титанових напівфабрикатів на їх зварюваність плавленням і тиском з використанням різних джерел нагріву, удосконалити способи зварювання для підвищення експлуатаційних властивостей з'єднань титану» (№ держреєстрації 0103U005420) відомчого замовлення НАН України (2003 - 2005 р.р.), і відповідно до планів наукових досліджень ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ в період з 1998 по 2007 р.р.

Мета і задачі роботи. Метою даної роботи є визначення закономірностей формування металу шва при зварюванні у вузький зазор титанових сплавів з накладенням зовнішнього керуючого магнітного поля та розробка технологічних рекомендацій для ЗВЗ конструкцій товщиною 20...100 мм зі сплавів на основі титану ПТ-3В та ВТ23.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

-визначити закономірності поводження дуги у вузькому зазорі при накладенні зовнішнього керуючого магнітного поля та встановити умови запобігання утворенню дефектів у зоні сплавлення;

-вивчити закономірності впливу керуючого магнітного поля на зварювальну ванну в зазорі та визначити умови якісного формування зварного шва при ЗВЗ;

-встановити особливості впливу зовнішнього керуючого магнітного поля на мікроструктуру та механічні властивості металу шва титанових сплавів;

-визначити комплекс технологічних прийомів і параметрів для ЗВЗ магнітокерованою дугою титанових сплавів ПТ-3В та ВТ23 і розробити технологічні рекомендації.

Об'єктом дослідження є процеси, які відбуваються при аргонодуговому зварюванні у вузький зазор титану і титанових сплавів вольфрамовим електродом з накладенням зовнішнього керуючого магнітного поля.

Предметом дослідження є технологія і матеріали для зварювання конструкцій товщиною від 20 до 100 мм із титанових псевдо-б-сплавів та двофазних (б+в)-сплавів.

Методи дослідження - поставлені завдання вирішувалися експериментальними методами; структуру, фазовий склад та властивості наплавленого металу вивчали методами металографічного, мікрорентгеноспектрального та рентгеноструктурного аналізів, растрової мікроскопії, дилатометричним аналізом, механічними випробуваннями, а також випробуваннями на корозійну стійкість.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Сформульовано уявлення про механізм формування шва у вузькому зазорі в умовах впливу зовнішнього керуючого магнітного поля, відповідно до якого глибина і висота оплавлення вертикальних стінок зазору визначається величиною зміщення анодної плями та часом знаходження її на вертикальних стінках, а умови якісного сплавлення визначаються величиною індукції, частотою реверсування магнітного поля та параметрами дугового розряду - струмом, напругою і тиском плазми дуги.

2. Встановлено закономірності переміщення анодної плями у вузькому зазорі під дією зовнішнього керуючого магнітного поля та показано, що величина зміщення анодної плями на вертикальні стінки прямо пропорційна значенню поперечної складової індукції магнітного поля та обернено пропорційна величині зварювального струму. Встановлено, що для запобігання утворенню непроварів середина анодної плями повинна зміщуватися в кут, утворений кромкою зазору та поверхнею металу попереднього проходу, і ця умова виконується при оптимальному співвідношенні значень струму зварювання і магнітної індукції 360...440 А та 8...12 мТл відповідно.

3. Виявлено визначальну роль сили газодинамічного тиску плазми дуги на поверхню рідкого металу в збудженні поперечних коливань металу зварювальної ванни та змочуванні ним вертикальних стінок зазору. Показано необхідність мінімізації сили газодинамічного тиску плазми дуги до значення 15...20 мН для виключення підрізів і несплавлень.

4 . Експериментальними та розрахунковими методами визначено вплив параметрів керуючого магнітного поля на формування зварних швів при зварюванні у вузький зазор, таких як частота реверсування та величина поперечної складової індукції. Показано, що частота реверсування магнітного поля є основним параметром, який визначає рівномірність оплавлення вертикальних стінок розкриття і поверхні металу попереднього проходу. Встановлено робочий діапазон частоти реверсування магнітного поля (щ = 4...20 Гц) з умови запобігання несплавлень з поверхнею попереднього шару (щ < 4 Гц) і основного металу (щ > 20 Гц).

5. Встановлено різницю в рівнях напруги на дузі при її знаходженні в крайніх положеннях у випадку зміщення електрода від центральної площини стику (до 0,4 В) і, як наслідок цього зміщення - утворення несиметричності розподілу теплової енергії між кромками зазору. Визначено чисельне значення коефіцієнта пропорційності між величиною зміщення електрода від центру зазору та різницею напруг на дузі - 0,2 В/мм. Показано, що при автоматизації процесу зварювання у вузький зазор в основу системи слідкування може бути покладена вимога мінімізації величини коливань напруги на дузі.

Практичне значення одержаних результатів

На підставі проведених досліджень розроблені науково обґрунтовані технологічні рекомендації щодо управління процесом зварювання у вузький зазор елементів конструкцій завтовшки до 100 мм з високоміцних титанових сплавів ПТ-3В і ВТ23. Забезпечується значення показників міцності та ударної в'язкості зварних з'єднань сплаву ВТ23 на рівні не менш ніж 90 % від відповідних показників основного металу, що задовольняє вимоги до швів 1 категорії; забезпечується рівноміцність основному металу зварних з'єднань сплаву ПТ-3В. Зменшуються витрати присадного дроту в середньому на 20 % та часу зварювання на 25...30 %. Розроблено методику розрахунку конструктивних параметрів вольфрамових електродів для зварювання у вузький зазор із зовнішнім керуючим магнітним полем.

Особистий внесок автора. Основні результати та положення, які становлять суть дисертаційної роботи, здобувачем отримані самостійно. Постановка завдань і обговорення результатів досліджень проводилися разом з науковим керівником і співавторами публікацій. Особистий внесок здобувача полягає у наступному: проведення експериментальних досліджень, зварювання зразків для вивчення розподілу електропровідності та температури в дугах з вольфрамовим електродом, які горять на плавкому титановому та неплавкому мідному анодах [2, 3]; вивчення механічних властивостей зварних з'єднань та оптимізація параметрів термічної обробки зварних з'єднань титанового сплаву ВТ23 [4]; проведення експериментальних робіт з вивчення стійкості вольфрамових електродів при ЗВЗ, вимір величини їх деформації при зварюванні, розрахунок сил, що діють на електрод, розробка конструкції і методики розрахунку розмірів вольфрамового електрода для зварювання у вузький зазор із керуючим магнітним полем [5]; проведення експериментів, узагальнення і аналіз експериментальних даних для оцінки впливу параметрів керуючого магнітного поля на формування зварних швів при ЗВЗ, формулювання висновків і практичних рекомендацій [6, 8]; підготовка та проведення експериментів для дослідження механічних властивостей і корозійної стійкості з'єднань сплавів ПТ-3В та оптимізація режимів термічної обробки зварних з'єднань [7, 9, 10]; підготовка та проведення експериментів, обробка і аналіз експериментальних даних для вивчення впливу водню в присадному матеріалі на пористість зварних швів, формулювання висновків і розробка заходів та рекомендацій зі зниження пористості зварних з'єднань при ЗВЗ магнітокерованою дугою [11]; запропоновано конструкцію подвійного зажиму для імпульсного механізму подачі присадного дроту для зварювання [12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень доповідались і обговорювались на науково-технічному семінарі «Зварювання та споріднені процеси в промисловості» (Київ, квітень 2006); на Міжнародній конференції «Титан - 2006 в СНД» (Суздаль, Росія, травень 2006); на науково-технічному семінарі «Зварювання та споріднені процеси в промисловості» (Київ, квітень 2007); на Міжнародній конференції «Титан - 2007 в СНД» (Ялта, квітень 2007); на Міжнародній конференції «ВОМ 2007», (Донецьк, травень, 2007), а також на науково-технічних семінарах ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України.

Публікації. По темі даної дисертації опубліковано 12 робіт, у тому числі 6 статей в академічних журналах; отримано 1 патент.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури. Дисертація має загальний обсяг 178 сторінок машинописного тексту, 81 рисунок, 27 таблиць, список літератури з 102 найменувань на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета роботи і визначені основні задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Відзначена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів із зазначенням особистого внеску автора.

В першому розділі дисертації проведено аналіз сучасних відомих способів дугового зварювання конструкцій товщиною 20...100 мм з титанових сплавів і вимоги, які висуваються до їх зварних з'єднань. В теперішній час найбільш ефективним способом дугового зварювання титану завтовшки 20...100 мм вважається зварювання у вузький зазор неплавким електродом. Основними труднощами при ЗВЗ є утворення таких дефектів зварних швів в зоні сплавлення як непровари вертикальних бокових стінок зазору і несплавлення металу шва з основним металом. Відомі такі способи вирішення задачі запобігання дефектів в зоні сплавлення як зварювання з коливаннями вольфрамового електрода, зварювання у вузький зазор зігнутим вольфрамовим електродом, який робить зворотно-обертальний рух. В ІЕЗ ім. Є.О. Патона проф. Замковим В.М. разом з к.т.н. Прилуцьким В.П. було запропоновано спосіб зварювання у вузький зазор вольфрамовим електродом з магнітокерованою дугою, при якому відхилення зварювальної дуги забезпечується за рахунок накладення зовнішнього реверсивного магнітного поля. Силові лінії магнітного поля в зоні дуги спрямовані вздовж напрямку зварювання, таке поле є поперечним відносно дуги (рис. 1). Виконані дослідно-експериментальні роботи показали перспективність такого рішення. Однак при цьому не були встановлені закономірності формування швів при ЗВЗ з керуючим реверсивним магнітним полем, не визначені причини виникнення дефектів у зоні сплавлення зварних швів та параметри керуючого магнітного поля, які забезпечать якісне сплавлення, та бездефектне формування металу шва при зварюванні сплавів титану. Взаємодії між магнітним полем, зварювальною дугою та зварювальною ванною присвячена значна кількість робіт, аналіз яких показав, що аналітичне дослідження проблеми плавлення основного металу при відхиленні дуги поперечним магнітним полем у вузькому зазорі є досить складним. Для створення науково обґрунтованого технологічного процесу потрібне виконання спеціальних експериментальних досліджень.

Другий розділ присвячено дослідженню закономірностей взаємодії зварювальної дуги у вузькому зазорі з керуючим магнітним полем і забезпеченню умов для надійного оплавлення стінок зазору. Схема процесу ЗВЗ із керуючим магнітним полем наведена на рис. 1. Магнітне поле в зоні дуги створює електромагніт із сердечником, розташованим в зазорі. Електромагніт працює від джерела живлення ОИ-119, яке створює в зоні дуги реверсивне магнітне поле. Зварювання виконується на постійному струмі прямої полярності.

В роботі сформульовано уявлення про механізм формування шва при зварюванні у вузький зазор вольфрамовим електродом в умовах впливу зовнішнього керуючого магнітного поля. Відповідно до цього механізму оплавлення вертикальних стінок основного металу в зазорі та перерозподіл енергії зварювальної дуги, що вводиться в зварюваний метал, в процесі ЗВЗ здійснюється почерговим відхиленням дуги до бокових стінок зазору під дією керуючого реверсивного магнітного поля. При цьому основними параметрами керуючого магнітного поля для ЗВЗ є величина поперечної складової магнітної індукції в напрямку зварювання - В_х і частота реверсування магнітного поля - щ.

Внаслідок взаємодії магнітного поля зі струмом дуги I_зв виникає сила Лоренца F_а, яка відхиляє дугу та приводить до зміщення анодної плями в напрямку дії цієї сили. Сила тиску плазми дуги Р_ст (див. рис. 2) прогинає поверхню зварювальної ванни, відтискуючи рідкий метал як у хвостову частину зварювальної ванни, так і до протилежної стінки зазору. В результаті цього товщина шару рідкого металу під дугою зменшується. Сила Лоренца F_L , що виникає при взаємодії струму у зварювальній ванні з зовнішнім керуючим магнітним полем, і сила гідростатичного тиску рідкого металу ванни Р_г перешкоджають зменшенню товщини рідкого прошарку. При почерговому відхиленні дуги до бокових стінок зазору відбувається перетікання рідкого металу від стінок, які плавляться дугою, в результаті чого збуджуються поперечні коливання рідкого металу зварювальної ванни. Зникнення прошарку рідкого металу під дугою може бути причиною виникнення підрізів і несплавлень у вигляді незаповнених розплавленим металом пустот. Для аналізу впливу названих вище сил на характер поведінки рідкого металу було проведено дослідження з оцінки їхніх величин у процесі ЗВЗ.

Сила Лоренца F_L, що виникає в зварювальній ванні від зовнішнього магнітного поля, може бути оцінена по формулі:

F_L = (I_зв · В_х)· h_в , (1)

де h_в - глибина прошарку рідкого металу під дугою у зварювальній ванні.

Нами експериментально встановлено, що при ЗВЗ глибина зварювальної ванни в зоні дії дуги не перевищує 1...2 мм. Значення поперечної складової В_х при ЗВЗ не перевищує 12 мТл при величині поздовжньої складової В_z не більше 4 мТл. В цьому випадку величина сили Лоренца F_L не перевищує 5 · 10-³ Н. Сумарну силу тиску плазми дуги на поверхню зварювальної ванни оцінювали, використовуючи формулу, запропоновану В.А. Ленівкиним для конічної моделі зварювальної дуги:



F_ст = м_o · I_зв² /(4р) · Ln(R₂/R₁), (2)

де м_o - магнітна проникність; R₁ - радіус стовпа дуги біля катода; R₂ - радіус стовпа дуги біля анода.

Визначення геометричних розмірів зварювальної дуги здійснювали шляхом фотографування реального дугового процесу. Розрахунки по формулі (2) показали, що у випадку застосування електрода з конічною формою робочої частини в умовах ЗВЗ сила тиску плазми дуги оцінюється величиною:

Р_ст ? 2,5 · 10-² Н і значно перевищує величину сили Лоренца F_L. Тому тиск плазми дуги в основному врівноважується тільки силою гідростатичного тиску рідкого металу зварювальної ванни.

Виконаний аналіз дозволяє стверджувати, що основною причиною утворення несплавлень і підрізів при ЗВЗ є підвищена сила тиску плазми дуги. Відповідно до формули (2) зменшити тиск дуги на рідкий метал можливо за рахунок зменшення струму зварювання, але це призведе до зниження продуктивності процесу зварювання. Знизити тиск плазми дуги можливо також за рахунок зміни геометричних параметрів стовпа дуги, а саме за рахунок збільшення діаметра стовпа дуги біля катода. Відомо, що діаметр стовпа дуги біля катода залежить від форми робочої частини вольфрамового електрода. Зокрема, застосування вольфрамових електродів з плоскою формою робочої частини при ЗВЗ дозволило знизити тиск дуги на поверхню зварювальної ванни і збільшити ступінь відхилення зварювальної дуги.

Зіставляючи розрахункові оцінки діаметра стовпа дуги біля катода з результатами вивчення макрошліфів поперечних перерізів швів, було встановлено, що підрізи і несплавлення в швах не утворюються за умови, якщо сила тиску плазми дуги не перевищує 2 · 10-² Н.

Таким чином, сформульовано уявлення про механізм утворення з'єднання при зварюванні у вузький зазор вольфрамовим електродом із зовнішнім керуючим магнітним полем і встановлено переважаючу роль сили газодинамічного тиску плазми дуги на поверхню рідкого металу в збудженні поперечних коливань металу зварювальної ванни та змочуванні ним вертикальних стінок зазору. Показана необхідність мінімізації газодинамічного тиску плазми дуги до значення 15...20 мН для виключення утворення підрізів і несплавлень.

Для оцінки характеру впливу керуючого магнітного поля на відхилення дуги в зазорі було застосовано методику виміру струму, який протікає через бокові стінки зазору, за способом «секціонованого анода». Ступінь відхилення зварювальної дуги оцінювали параметром X:

, (3)

де I_б - струм, що протікає через бокову стінку;

I_зв - струм зварювання.

Вимір величини струму, який протікає через бокові стінки показав, що:

1) його величина прямо пропорційна величині поперечної складової магнітної індукції В_х;

2) при використанні електрода, робоча частина якого виконана у вигляді конуса, струм в бокових стінках становить не більше 30 % від струму зварювання, що за експериментальними даними недостатньо для надійного оплавлення вертикальних стінок зазору;

3) для запобігання утворенню непроварів співвідношення Х повинно бути не менш 0,5 , що відповідає знаходженню анодної плями в куті зазору; ця умова виконується при використанні електродів з плоскою формою робочої частини;

4) за інших рівних умов зі збільшенням струму зварювання доля струму в бокових стінках знижується, тобто зміщення анодної плями зменшується;

5) зі зміною відстані між електродом і боковими стінками змінюється і величина струму, який протікає через бокові стінки.

Тому для підтримки симетричного тепловкладання в бокові стінки і їхнього однакового оплавлення необхідно забезпечити розміщення електрода в центральній площині зазору. Експериментально встановлено, що зміщення електрода від центра зазору приводить до виникнення різниці в рівнях напруги на дузі амплітудою (ДU) до 0,4 В при її відхиленні до крайніх положень. При цьому частота коливань напруги дуги співпадає з частотою реверсування керуючого магнітного поля. Встановлено чисельне значення коефіцієнта пропорційності між величиною зміщення вольфрамового електрода від центра зазору та амплітудою (ДU) коливань напруги на дузі, який становить 0,2 В/мм. Ця особливість зварювання з магнітним керуванням дозволила запропонувати для ЗВЗ систему слідкування, яка використовує вимір миттєвої напруги на дузі для контролю за положенням електрода в центрі розкриття.

Таким чином, встановлено, що зміщення анодної плями на бокові стінки пропорційно значенню поперечної складової індукції магнітного поля. При цьому величина поперечної складової індукції магнітного поля в зоні зварювання повинна бути не менш 8 мТл, виходячи з умови забезпечення надійного оплавлення стінок зазору і якісного сплавлення металу шва з основним металом.

Третій розділ присвячено дослідженню закономірностей формування зварних швів титанових сплавів при ЗВЗ із керуючим магнітним полем і визначенню таких параметрів керуючого магнітного поля, при яких формуються бездефектні зварні шви з дрібноголковою мікроструктурою та високими механічними властивостями. Дослідження проводили на зварних з'єднаннях сплавів ПТ-3В та ВТ23.

Для визначення закономірностей зміни форми зварних швів залежно від параметрів керуючого магнітного поля було проведено ряд експериментів з наплавлення заповнючих шарів з наступним виміром розмірів отриманого зварного шва.

Попередні експерименти показали, що зварні шви, виконані без відхилення зварювальної дуги, мають більшу глибину проплавлення дна зазору та малу ширину шва в його нижній частині. Встановлено, що значне проплавлення бокових стінок приводить до надмірної ширини шва та ЗТВ. У зв'язку з цим за оптимальну форму наплавленого валика при ЗВЗ прийнята така, при якій ширина шва у верхній частині дорівнює ширині шва в його нижній частині, а проплавлення поверхні попереднього шару рівномірне. У цьому випадку ЗТВ має малу ширину, а непровари у шві не виникають.

Результати досліджень показали, що проплавлення бокових стінок закономірно зростає зі збільшенням поперечної складової індукції магнітного поля або зі зменшенням частоти його реверсування. При величині поперечної складової магнітної індукції В_х < 8 мТл внаслідок недостатнього відхилення анодної плями у шві утворюються несплавлення металу шва з вертикальними боковими стінками. При величині магнітної індукції В_х > 12 мТл у центрі шва утворяться несплавлення металу шва з металом попереднього шару.

Рівномірне проплавлення поверхні металу попереднього шару має місце при частоті магнітного поля 20 Гц. Перегин кривої відповідає ситуації, пов'язаній з тим, що найбільша глибина проплавлення поверхні попереднього шару при щ = 2,5...20 Гц фіксується біля бокових стінок, а при щ = 20...80 Гц - в центрі шва.

Таким чином, встановлено, що формування зварного шва оптимальної форми з однаковим по висоті проплавленням вертикальних стінок, з відсутністю непроварів і несплавлень забезпечується при частоті реверсування магнітного поля 4...10 Гц та індукції В_х не менш 8 мТл.

Дослідження мікроструктури швів двофазного титанового сплаву ВТ23, виконаних із застосуванням присадного дроту СП15 та без керуючого магнітного поля, фіксують наявність мікроструктури з довгими мартенситними голками. У швах, виконаних з керуючим магнітним полем, середня довжина мартенситних голок зменшується. Це пов'язано, на наш погляд, з періодичним підплавленням металу на фронті кристалізації, а також з більш інтенсивним перемішуванням розплавленого металу зварювальної ванни і, як результат, більш рівномірним розподілом легуючих елементів в металі шва. У швах, виконаних з величиною індукції В_х = 8...12 мТл та з частотою реверсування 20...50 Гц, формується однорідна мікроструктура по всьому об'єму шва. При цьому збільшення частоти реверсування понад 20 Гц уже практично не позначається на довжині мартенситних голок структури металу шва.

Четвертий розділ присвячено розробці технологічних рекомендацій для зварювання титанових сплавів ПТ-3В та ВТ23, відпрацьовуванню методики складання деталей під зварювання, визначенню величини кутових деформацій, ширини зазору та кута розкриття кромок, вибору конструкції вольфрамового електрода.

В ході досліджень відпрацьовано 2 схеми складання деталей для зварювання у вузький зазор та визначені відповідні режими. Відома схема передбачає застосування підкладки, що приварюють зі зворотної сторони деталей. Істотний недолік цієї схеми стосовно до титанових сплавів полягає в тому, що приварену підкладку, як правило, необхідно потім видаляти, а на поверхні деталей залишаються дефекти. Для подолання цього недоліку було запропоновано схему складання та зварювання з застосуванням формуючої підкладки, яка охолоджується водою. Ця підкладка також служить кристалізатором для валика першого проходу, захищає зворотну сторону деталі від окислювання повітрям і виконує функцію струмопідвода. В результаті дослідних робіт встановлено додатковий позитивний ефект від застосування формуючої підкладки, який полягає в зниженні сумарних кутових деформацій на 15...20 % у порівнянні зі зварюванням з підкладкою, яка залишається. Це пов'язано з тим, що кутові деформації після виконання першого шару при зварюванні з формуючою підкладкою незначні.

Важливим питанням є вибір форми поперечного перерізу вольфрамового електрода, оскільки від його конструкції залежить ширина зазору. Зовнішнє керуюче магнітне поле справляє значний силовий вплив на електрод. Розрахунки показали, що при величині магнітної індукції в зоні дуги до 12 мТл згинальний момент, який діє на електрод, досягає 2,4110 ^-3 кгм. В результаті виникають коливання електрода аж до його замикання з однієї з бокових стінок зазору, чому сприяють нагрівання електрода та зниження його пружності. Розроблено методику розрахунку конструктивних параметрів вольфрамових електродів. Для скорочення ширини зазору та зменшення амплітуди коливань торця вольфрамового електрода і запобігання таким чином коротким замиканням розроблена конструкція вольфрамового електрода спеціальної форми, переріз якого являє собою прямокутник 3Ч6 мм. Це дозволило скоротити ширину зазору до 8 мм і забезпечити стійкість електрода при струмі зварювання до 500 А та впливі керуючого магнітного поля з індукцією до 12 мТл.

Проведені дослідження послужили основою для розробки технологічних рекомендацій зі зварювання у вузький зазор конструкцій завтовшки 20...100 мм із титанових сплавів ВТ23 і ПТ-3В. У зв'язку з тим, що при зварюванні у вузький зазор частка присадного металу в шві становить не менш 90 %, механічні властивості зварних з'єднань сплаву ПТ-3В з використанням присадного дроту марки 2В перебувають на рівні основного металу при високій пластичності металу шва, тому зварні з'єднання сплаву ПТ-3В можуть піддаватися лише відпалу (Т_відп = 675 ^OС) тільки для зменшення рівня залишкових напружень.

Застосування присадного дроту марки СП15 для зварювання сложнолегованого високоміцного сплаву ВТ23 у поєднанні з наступним відпалом забезпечує міцність зварних з'єднань на рівні не менш 90 % міцності самого сплаву при задовільній пластичності, що задовольняє вимоги до швів 1 категорії. Для зварних з'єднань сплаву ВТ23 обов'язкове застосування відпалу (Т_відп = 780 ^OС). Підбор режиму зварювання дозволяє скоротити ЗТВ, що в цілому сприятливо позначається на механічних властивостях зварних з'єднань. Тому для ЗВЗ сплаву ВТ23 краще застосовувати схему складання та зварювання в зазор шириною 8 мм із застосуванням охолоджуваних формуючих підкладок, що забезпечує найменше тепловкладання у зварне з'єднання та найменшу ширину шва і ЗТВ. В таблиці наведені механічні властивості основного металу і металу зварних швів, виконаних зварюванням у вузький зазор.



ВИСНОВКИ

1. Вивчення стану розробок та досліджень за темою роботи показало, що основним завданням при ЗВЗ титанових сплавів є забезпечення якісного сплавлення металу шва з вертикальними стінками зазору. Найбільш ефективним шляхом вирішення цього завдання є створення умов для контрольованого розподілу теплової енергії дуги між стінками зазору шляхом накладення на дугу зовнішнього керуючого магнітного поля.

2. Сформульовано уявлення про механізм формування зварного з'єднання у вузькому зазорі в умовах впливу зовнішнього керуючого магнітного поля. Оплавлення вертикальних стінок зазору здійснюється за рахунок тепла анодної плями, що зміщується по черзі на протилежні бокові стінки при реверсуванні магнітного поля, а рідкий метал відтискується на вертикальні кромки та у хвостову частину ванни завдяки впливу, головним чином, сили газодинамічного тиску плазми дуги. Відповідно до цієї моделі якість зварного з'єднання визначається, головним чином, величиною індукції, частотою реверсування магнітного поля та параметрами дугового розряду - струмом, напругою і газодинамічним тиском плазми дуги.

3. Експериментально вивчено закономірності переміщення анодної плями під дією зовнішнього керуючого магнітного поля. Показано, що величина зміщення анодної плями від центральної площини зазору пропорційна значенню поперечної складової індукції магнітного поля В_х і обернено пропорційна величині зварювального струму. Визначено, що для виключення непроварів середина анодної плями повинна зміщуватися по черзі в місця перетину стінок зазору з поверхнею металу попереднього шару, і ця умова виконується при В_х = 8...12 мТл та струмі зварювання 360...440 А.

4. Експериментально-розрахунковим методом виконано оцінку значення газодинамічного тиску плазми дуги як фактора, зв'язаного, з одного боку, з ріжучим ефектом дуги та, з іншого боку, як фактора, що спричиняє періодичне перетікання рідкого металу між стінками при реверсуванні магнітного поля. Показано необхідність мінімізації газодинамічного тиску плазми дуги до значення 15...20 мН для виключення підрізів і несплавлень.

5. У відповідності до сформульованого уявлення про механізм утворення зварного з'єднання експериментально та розрахунковими методами виконано дослідження впливу зовнішнього керуючого магнітного поля на форму швів. Встановлено, що висота оплавлення стінок зазору в момент найбільшого зміщення анодної плями дуги визначається величиною індукції B_x, а глибина проплавлення обернено пропорційна частоті реверсування магнітного поля. При частотах реверсування магнітного поля менш 4 Гц і більше 20 Гц глибина оплавлення бокових стінок та поверхні попереднього шару носить нерівномірний характер і є причиною утворення дефектів у шві.

6. Виявлено, що в умовах ЗВЗ із зовнішнім керуючим магнітним полем зміщення вольфрамового електрода від середини зазору - фактор, що істотно впливає на однаковість глибини оплавлення стінок зазору. Встановлено, що зміщення електрода на 1 мм приводить до зменшення відхилення анодної плями на дальню стінку на 15...25 %, до зменшення глибини її оплавлення, а також до виникнення різниці в рівнях напруги на дузі при її знаходженні в крайніх положеннях (до 0,4 В). Визначено чисельне значення коефіцієнта пропорційності між величиною зміщення вольфрамового електрода від середини зазору та різницею в рівні напруг на дузі, який становить 0,2 В/мм.

7. Показано, що при зварюванні у вузький зазор з керуючим магнітним полем, на відміну від зварювання без зовнішнього магнітного впливу, мають місце поперечні коливання металу зварювальної ванни, причому основна роль у виникненні коливань металу належить силі тиску плазми дуги, що перевищує в 2...4 раз силу Лоренца. В результаті цього змінюються умови формування структури металу шва через його періодичне підплавлення на фронті кристалізації та більш інтенсивне перемішування. В зварних швах двофазних титанових сплавів формується дрібнодисперсна структура, в 4...5 рази зменшується середній розмір мартенситних голок (з 160 до 40 мкм) у порівнянні зі швами, виконаними без керуючого магнітного поля.

8. Встановлено, що при ЗВЗ має місце явище коливання робочої частини розігрітого вольфрамового електрода, пов'язане із впливом сили від зовнішнього реверсивного магнітного поля, значення якої досягає 0,2...0,4 Н, і зі зниженням пружності електрода через розігрів. Показано, що для зменшення амплітуди коливань кінця вольфрамового електрода і для запобігання, таким чином, коротким замиканням необхідно застосовувати електроди діаметром не менш 5 мм або із прямокутною формою перетину мінімум 3Ч6 мм при струмах зварювання 360...500 А.

9. На підставі проведених досліджень встановлено комплекс технологічних прийомів і параметрів зварювання титанових сплавів ПТ-3В та ВТ23 у вузький зазор із зовнішнім керуючим магнітним полем, який забезпечує бездефектність зварних з'єднань і гарантує рівень їхніх механічних властивостей не менш 90 % від показників основного металу. При цьому досягнуто зменшення витрати присадного дроту в середньому на 20 % і підвищення продуктивності процесу зварювання на 25...30 %.



ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Белоус В.Ю. Дуговая сварка в узкий зазор титановых сплавов // Автоматическая сварка. - 2002. - №9. - С. 39-43.

2. Аксиальное распределение температуры в дуге при сварке титана вольфрамовым электродом в аргоне / Л.Е. Ерошенко, В.П. Прилуцкий, В.Ю. Белоус, В.Н. Замков // Автоматическая сварка. - 2001. - № 3. - С.11-13.

3. Влияние флюсов на температуру и плотность тока в столбе дуги при аргонодуговой сварке титана вольфрамовым электродом / Л.Е. Ерошенко, В.П. Прилуцкий, В.Ю. Белоус, В.Н. Замков // Автоматическая сварка. - 2001. - № 6. - С. 3-6.

4. Присадочная проволока для сварки титанового сплава ВТ23 в узкий зазор / В.Ю. Белоус, В.Н. Замков, И.К. Петриченко, В.Ф. Топольский // Автоматическая сварка. - 2003 - №5. - С. 50-52.

5. Белоус В.Ю., Прилуцкий В.П., Замков В.Н. Влияние управляющего магнитного поля на вольфрамовый электрод при сварке титана в узкий зазор // Автоматическая сварка. - 2004. - №4. - С. 13-16.

6. Белоус В.Ю., Ахонин С.В. Влияние параметров управляющего магнитного поля на формирование сварных швов при аргонодуговой сварке титановых сплавов в узкий зазор // Автоматическая сварка. - 2007 - №4. - С. 3-6.

7. Белоус В.Ю. Аргонодуговая сварка титановых сплавов в узкий зазор // Доклады научно-технического семинара «Сварка и родственные процессы в промышленности». - (12 апреля 2006 г., г. Киев). - Киев: Экотехнология, 2006. - С. 21-23.

8. Прилуцкий В.П., Белоус В.Ю., Ахонин С.В. Высокоэффективный способ дуговой сварки титановых сплавов большой толщины в узкий зазор // Материалы Международной конференции «Ti - 2006 в СНГ». (21-24 мая, 2006 г., г. Суздаль). - Киев: Наукова Думка, 2006. - С. 347-351.

9. Применение сварочной проволоки СП15св для сварки титанового сплава ПТ-3В / В.Ф. Топольский, В.Ю. Белоус, С.В. Ахонин, Г.М. Григоренко // Материалы международной конференции «Ti - 2007 в СНГ». (16-18 апреля 2007 г., г. Ялта). Киев: Наукова Думка, 2007. - С. 273-275.

10. Белоус В.Ю. Сварка титанового сплава ПТ-3В в узкий зазор // Доклады 2-го научно-технического семинара «Сварка и родственные процессы в промышленности». - (17 апреля 2007 г. г. Киев). - Киев: Экотехнология, 2007. - С.17-18.

11. Белоус В.Ю., Ахонин С.В. Влияние водорода в присадочном материале на пористость сварных швов при сварке титановых сплавов // Материалы Международной конференции «ВОМ 2007». (21-26 мая 2007 г., г. Донецк). - Донецк: ДонИФЦ ИАУ, 2007. - С. 857-860.

12. Патент України 28466 А, В23К9/12 Прилуцький В.П., Замков В.М., Білоус В.Ю., Нікифоров Г.А. Механізм подачі зварювального дроту. (Україна) - № 97031500, Зареєстровано 31.03.1997 р. Опубл. Бюл. №5-2. від. 16.10.2000.

Размещено на Allbest.ru

...