Разработка теоретических основ формирования обратной стороны шва с учетом физико-химических процессов в сварочной ванне

а - при подтекании жидкого металла под дугу; б - без подтекания жидкого металла под дугу

Рис.11. Макроструктура швов

а - при подтекании металла под дугу; б - без подтекания металла под дугу.

Рис.12. Схематичное изображение жидкой прослойки по форме нерасплавившихся остатков вольфрамовых стержней

Совместно с Николаевским филиалом ЦНИИТС для условий односторонней сварки сталей 10ХСНД толщиной 12…14 мм была разработана технология сборки стыковых соединений судокорпусных конструкций, исключающая операцию строжки и подварки корня шва с использованием подкладной ленты ЛМС-4. Крепление ленты к обратной стороне стыкового соединения осуществлялась с помощью фольгоплена. Механизированная сварка в среде защитных газов выполнялась на типовом оборудовании, п/автомате ПДПГ-500 проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2…1,4 мм. При отработке технологии сварки было установлено, что самым оптимальным является зазор в диапазоне 3…6 мм.

При сварке судового набора из стали 09Г2 возникают проблемы технологической прочности конструкций сваренных односторонней сваркой на различного рода формирующих устройствах. Это привело к необходимости выделить и изучить особенность температурных условий формирования обратной стороны шва при сварке на подкладной ленте и стержне, а также, для сравнения при сварке на медной подкладке с тонким слоем стекловолоконной ленты, керамической и медной подкладке. В ходе эксперимента записывали термические циклы в контролируемых точках с помощью многоканального светолучевого осциллографа.

Проведенные испытания особенностей технологического процесса позволили установить изменения температуры в шести контрольных точках, расположенных вдоль оси шва для каждой схемы применения формирующих материалов. Время пребывания выше температуры критических точек Ас1 и Ас3 различно и имеет бьльшее значение для сварки на стекловолоконных материалах и наименьшее значение для сварки на медной подкладке (рис. 13).

1,2 - гибкая подкладная лента и стержень; 3 - медная подкладка с тонкой стеклолентой; 4 - керамика; 5 - медная подкладка.

Рис. 13. Кривые распространения теплоты в точке y=0,5 см (а) и y=0,8 см (б) при сварке на подкладных материалах

При односторонней автоматической сварке под флюсом стыковых соединений в горизонтальном положении на вертикальной плоскости основные трудности возникают из-за несимметричного валика с обратной стороны шва. Отсутствие данных о формировании обратного валика при односторонней сварке в горизонтальном положении на вертикальной плоскости и роли основного и электродного металла в этом процессе создало трудности при разработке технологии сварки. С целью оценки влияния и распределения основного и электродного металла в объеме сварочной ванны были проведены испытания особенностей технологического процесса при сварке стали 0Н6 проволокой 06Х15Н60М15 диаметром 2мм под керамическим флюсом ЖР-5. Для решения этой задачи была отработана методика с использованием радиоактивных изотопов (индикаторов). В качестве индикатора применяли радиоактивный изотоп углерод-14, первоначально вводимый в проволоку, а затем наносимый на поверхности свариваемых кромок.

Сварку пластин 11Ч200Ч600 мм с односторонней разделкой кромок проводили на опытном образце автомата для сварки под флюсом в горизонтальном положении на вертикальной плоскости. Режим сварки: ток сварки - 280…320 А, напряжение на дуге - 30…34 В, скорость сварки - 20…25 м/ч. Ток постоянный, обратной полярности.

Для формирования обратной стороны шва использовались подкладные ленты с тугоплавкими и легкоплавкими формирующими слоями. В первом случае обеспечивалось минимальное проплавление и небольшое усиление обратного валика шва (рис. 14,а). Во втором, размеры обратного валика шва оказались более значительны. (рис. 14,б).

Рис.14. Макроструктура швов, выполненных односторонней сваркой на тугоплавкой (а) и легкоплавкой (б) подкладной ленте

Рис. 15. Распределение углерода при сварке на гибких подкладных лентах с использованием тугоплавкого (а) и легкоплавкого (б) формирующих слоев при введении углерода в сварочную проволоку

Авторадиограммы, представленные на рис. 15, показывают распределение изотопа углерода-14 в корне шва и усиления с обратной стороны. В первом случае, при ограниченном усилении, обратный валик почти полностью состоит из электродного металла. При использовании легкоплавкого формирующего материала развар нижней кромки основного металла способствует перемешиванию основного и электродного металла, о чем свидетельствует интенсивность почернения авторадиограмм.

Широкий опыт внедрения технологии односторонней сварки плавящимся электродом углеродистых и легированных сталей с использованием гибких лент и стержней в СССР позволил запатентовать данные технические решения в ФРГ и США и провести испытания с целью использования данных материалов и технологии при производстве металлоконструкций из сталей нормальной прочности марок А…Д, в том числе А32, А36, Д32, Д36 для судостроения. Испытания проводились в учебно-исследовательском центре немецкого союза сварщиков в г. Дуйсбурге (DVS).

На основе проведенных сварочно-технологических и механических испытаний, Germanisher Lloyd от 11.09.1991 г. подтвердил допуск к эксплуатации в соответствии с нормами на сварочные работы в судостроении следующие методы сварки:

- полуавтоматическая сварка в среде смеси СО2 и аргона («Коргон 2») сварочной проволокой типа Хеш Беко 2 (WDЙ) на сталях марок А…Д толщиной от 4 до 25мм с использованием подкладных лент марки ГПЛ и стержней марки ГПС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Формирование обратной стороны шва в настоящее время обеспечивается стандартными сварочными материалами - флюсами, порошковыми проволоками, электродами для ручной дуговой сварки, созданными без учета многочисленных гидродинамических, физических и физико-химических особенностей формирования обратного валика шва.

2. Гидродинамические схемы перемещения расплава в сварочной ванне идентифицируют возникновение нестабильности размеров обратного валика по ширине и высоте. Объемные силы влияют на образование валика по высоте, а поверхностные силы ответственны за стабильность валика по ширине и форму перехода от усиления шва к основному металлу.

3. Поверхностное натяжение шлакового расплава в диапазоне 480…650 мдж/м2 и динамическая вязкость расплава в диапазоне 2…5 Па·с при температуре 1550…1650?С гарантируют стабильность размеров обратного валика с отклонениями ±1мм по высоте и ±1,4мм по ширине обратного валика.

4. Стабильность размеров обратного валика шва характеризуется Ккс=(0,2-2,0) безразмерным коэффициентом устойчивости кластерных систем в шлаковом расплаве в соотношении Ез=К4рr2у и объемом разупорядоченной зоны, отличающихся друг от друга различной энергией активации вязкого течения и силой интерионного взаимодействия.

5. Расчет химической активности шлаковой системы TiO2-CaF2-SiO2-Al2O3 и других сварочных шлаков и стекол показал наличие необходимых условий для прохождения металлургических процессов в пограничном слое металл-шлак в донной части сварочной ванны.

6. Стекловолоконные материалы, созданные на базе системы SiO2-B2O3-Al2O3-ZrO2 и сотканные в виде многослойной, многокомпонентной ленты и гибкого стержня, являются наиболее универсальными устройствами для формирования обратной стороны шва при односторонней дуговой сварке сталей в различных пространственных положениях.

7. Керамический флюс системы SiO2-MgO-CaO-CaF2-ZrO2 обеспечивает двустороннее формирование шва при односторонней сварке углеродистых и низколегированных сталей под флюсом со стабильными размерами обратного валика по высоте, ширине и плавности перехода к основному металлу с углом не менее 150.

8. Гибкие подкладные ленты марки ЛМС и гибкие подкладные стержни марки ГПС серийно выпускаются предприятиями НПО «Стеклопластик» и ОАО «Тверьстеклопластик».

9. Разработанная технология всепозиционной односторонней сварки углеродистых и легированных сталей плавящимся электродом толщиной 3…20 мм с использованием гибких подкладных лент марки ЛМС и гибких подкладных стержней марки ГПС использована на предприятиях: ЗАО «Комиэнергомонтаж», ОАО «Севкавтехмонтаж», ВЗМЭО(г.Волгодонск), ОАО «Промприбор» (г.Ливны).

10. Материалы и технология прошли испытания в испытательном центре Немецкого Союза сварщиков и допущены к применению Germanisher Lloid при производстве судовых конструкций на верфях ФРГ из сталей типа А…D.

11. Экономическая эффективность технологических процессов односторонней сварки с использованием разработанных материалов - подкладных лент, стержней и флюса составляет от 120 до 230 рублей на погонный метр шва.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. А.С. СССР 625885 МКИ Б23К 36/22. Состав подкладки для односторонней сварки. Доронин Ю.В., Акулов А.И. и др.// Б.и. - 1978. - № 36.

2. А.С.631294 СССР МКИ В23К 37/06 Состав подкладки для формирования обратной стороны шва. Доронин Ю.В. Акулов А.И. и др.// Б.и. - 1978. - № 41.

3. А.С. 732141 СССР МКИ В23К 37/06 Подкладка для формирования обратной стороны шва при односторонней сварке плавлением. Акулов А.И., Доронин Ю.В.// Б.и. - 1980. - № 17.

4. А.С. СССР 1237358 МКИ В23К 37/06 Подкладка для формирования обратной стороны шва. Доронин Ю.В., Оботуров В.И., Соколов Ю.В., Сячинов В.И., Барыба Я.В.// Б.и. - 1986. - № 22.

5. Доронин Ю.В. Исследование формирования шва при односторонней сварке плавящимся электродом на подкладках: Дисс. … канд. техн. наук: 05.03.06. - М.: МВТУ, 1979. - 141 с.

6.Физико-химические свойства расплавленного шлака флюсовой подушки и их влияние на формирование обратной стороны шва при сварке плавящимся электродом / А.И. Акулов, Ю.В. Доронин, Г.Г. Чернышов // Сварочное производство.- 1981. - № 3. - С. 18-20.

7. Влияние гидродинамических явлений в сварочной ванне на формирование стыковых швов при сварке плавящимся электродом / А.И. Акулов, Г.Г. Чернышов, Ю.В. Доронин, А.В. Чернов, А.В. Сас // Изв. Вузов. Машиностроение. - 1976. - № 12. С. 135 - 140.

8. Доронин Ю.В., Ханапетов М.В. Односторонняя сварка в строительстве: Монография. М.: Стройиздат. 1990.- 150 с.

10. Доронин Ю.В., Култасова Н.Н. Материалы и оборудование для сварочных работ фирмы «Лотинторг» // Сварочное производство. 1993. - № 5. С. 24-26.

11. Патент ФРГ.41 20 177 C1 МКИ В23К 37/06.Подкладная лента для сварки. Ю.В.Доронин, А.И. Речкин // Заявлено: 19.06.1991. - Опубликовано: 4.06.1992.

12. Патент США. 5,451,741 МКИ В23К 9/32 Подкладная лента для сварочной технологии. Доронин Ю.В., Речкин А.И.// Заявлено: 18.06.1992 г. Опубликовано: 19.09. 1995.

13. А.С. СССР 1512747 МКИ В23К 37/06. Гибкая двухслойная подкладка для формирования обратной стороны шва. Доронин Ю.В., Акулов А.И., Райков Р.В., Еровенкова В.И.// Б.и. - 1986. - № 22.

14. А.С. 903010 СССР МКИ В23К 9/02 37/06. Подкладка для формирования обратной стороны шва при односторонней сварке сталей. Акулов А.И., Доронин Ю.В., Райков Р.В., Иванов Е.А., Мышкин А.Ю., Асонова Р.Д. // Б.и. - 1982. - № 5.

15. Патент Российской Федерации 2047439 МКИ В23К 9/16. 37/06. Способ дуговой сварки. Доронин Ю.В. Котенин В.П., Солоухин А.Б., Кибардина А.П.// Б.и. - 1995. - № 31.

16. Патент Российской Федерации 2073755 МКИ Основовязаный трикотаж. Зиновьева В.А., Карякина Р.Г., Шленникова О.А., Доронин Ю.В. // Заявлено: 28.06.1991.

17. Доронин Ю.В. Технологические особенности формирования шва при односторонней сварке сталей // Региональная научно-практическая конференция « Состояние и перспективы строительства и ввода в эксплуатацию второго блока Ростовской АЭС. Безопасная эксплуатация энергоблоков АЭС». Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. 2008. - С. 14-15.

18. Некоторые особенности формирования горизонтальных швов на вертикальной плоскости / Ю.В.Доронин, А.И.Акулов, А.Ю.Мышкин // Сварочное производство. - 1983. - №4. - С. 11-12.

19. Температурные условия формирования обратной стороны шва при односторонней полуавтоматической сварке в СО2 на материалах с различными теплофизическими свойствами / И.В.Сулимов, А.И.Акулов, Ю.В.Доронин // Сварочное производство. - 1991. - С. 17-19.

20. Доронин Ю.В. Некоторые особенности конструирования формирующих слоев подкладочных устройств для односторонней дуговой сварки сталей // Сварочное производство. - 2007. - №3. - С. 25-28.

21. Доронин Ю.В., Волобуев Ю.С. Особенности физико-химических свойств шлаковых систем сварочных материалов, формирующих обратную сторону шва при односторонней дуговой сварке // Сварка и диагностика. 2008 - №2.- С. 17-23.

Размещено на Allbest.ru