SETTLEMENT AND EXPERIMENTAL METHOD OF ESTIMATION OF PARAMETERS OF TRANSITION ELEMENTS IN THE WELD METAL DURING ARC WELDING AND IMPROVING THE WHOLE CHARGE FLUX CORED WIRE

Abstract


The work describes the methods of the experiments and the results of the empirical data for the evaluation of process parameters of arc welding flux cored wire with the full material balance. The model is a three equation system. The first equation describes the interaction between average and partial transition coefficients; the second equation shows the transition of an element from the metal phase; the third one characterizes the reduction of an element from the slag phase. Are averaged and stiffness ratios of transition elements in deposited metal and weld metal. Flux-cored wire welding weld metal composition and its welding technological properties depend on melting bands and charge and interaction formed phases with each other and gas. The result of these processes is the formation of welding bath a certain mass and composition. Analysis of experimental data allowed us to find the relationship process indicators (ratios of transition elements) with technological parameters. Are obtained by regression equations. Comparing experimental and calculated data showed their good convergence, suggesting the possibility of applying the method of complete material balance for the transition coefficients of elements in arc welding flux cored wire. The data obtained allow to predict the composition of welded metal or weld metal with arbitrary parameters of the welding flux cored wire, as well as to assess the effectiveness of the whole. Similarly a more economical variant of electrode coating composition can be determined. For that the cost of different coating compositions should be calculated that give weld deposit with similar concentrations of alloying elements, that ensures the required operational characteristics and resource saving.

Full Text

Введение При сварке порошковой проволокой состав наплавленного металла и его сварочно-технологические свойства зависят от условий плавления ленты и шихты и взаимодействия образовавшихся фаз друг с другом и газом. Экспериментальные данные, полученные для конкретных условий сварки, не позволяют гарантировать точность прогноза при изменившихся технологических параметрах [1-5]. Разработанная методика определения усредненных и парциальных коэффициентов перехода элементов и их зависимости от параметров режима сварки позволила устранить оба недостатка, однако она была применена для ручной дуговой сварки [6-10]. Анализ работ [11-17], а также собственные исследования [18-19] показали, что физико-химические и металлургические процессы при ручной дуговой сварке и дуговой сварке порошковой проволокой являются подобными. Ввиду этого представляет практический интерес применение метода полного материального баланса и основанной на нем методики расчета коэффициентов перехода элементов для дуговой сварки порошковой проволокой. Полученные данные по коэффициентам перехода элементов позволили оценить эффективность содержания шихты порошковой проволоки по концентрации ферросплавов. Описание эксперимента Произведена однослойная наплавка валика порошковой проволокой ПП СП10 (Æ = 2,8 мм) на пластину из стали Ст3сп толщиной 14 мм и на пластину из стали 30ХГСА толщиной 20 мм. Для определения состава наплавленного металла была произведена пятислойная наплавка на аналогичных однослойной наплавке режимах. Наплавка производилась в нижнем положении на рекомендованных в технических условиях режимах. На каждую скорость подачи порошковой проволоки режим наплавки настраивался индивидуально. Обработка результатов экспериментов позволила получить регрессионные уравнения для расчета параметров процесса и коэффициентов перехода элементов в металл шва. Показано, что разработанная методика позволяет исследовать быстропротекающие процессы при сварке порошковой проволокой [20]. Дальнейшая разработка методики позволила применить разработанные уравнения для совершенствования состава шихты порошковой проволоки. Результаты исследований Параметры режимов процесса и данные опытов после обработки позволили представить результаты в виде, удобном для дальнейшего использования (табл. 1) [20]. Был проведен анализ расчетных данных и результатов эксперимента [20]. При проведении расчетов удобнее оперировать данными, пересчитанными на 100 г расплавленной порошковой проволоки. Расчеты с учетом коэффициента заполнения позволили определить содержание металлических и неметаллических компонентов в шихте порошковой проволоки. Общая масса металлических компонентов в 100 г порошковой проволоки составила 17,99 г, а неметаллических - 11,51 г. Таблица 1 Результаты опытов по наплавке порошковой проволокой ПП СП10 Вычисляемая величина Формула Результат Æ = 2,8 мм, Kзап = 0,295 Скорость подачи проволоки, м/ч Vпод 125,0 160,0 182,0 Сварочный ток, А Iсв 300 350 400 Напряжение дуги, В Uд 25 27 30 Мощность дуги, Вт Рд 7500 9450 12000 Время наплавки, с tсв 36,0 39,2 29,1 Масса наплавленного металла mн-шл - mпл 25,0 38,0 45,0 Масса наплавленного шлака mн-бр - mн-шл 2,8 3,4 4,0 Расход порошковой проволоки mэл - mог 50,0 69,7 58,8 Масса наплавленного шлака на 100 г порошковой проволоки, г (опыт/расчет) 5,6/5,6 4,9/4,9 6,8/6,8 Масса наплавленного металла на 100 г порошковой проволоки, г (опыт/расчет) 50,0/50,0 54,5/54,5 76,5/76.5 Окончание табл. 1 Вычисляемая величина Формула Результат Æ = 2,8 мм, Kзап = 0,295 Масса испарившихся компонентов неметаллической части шихты на 100 г порошковой проволоки, г mисп 6,598 6,598 6,598 Масса шихты, потерянной на испарение металлических компонентов и разбрызгивание на 100 г порошковой проволоки, г (опыт/расчет) mбр 37,8/37,8 34,0/34,3 10,1/10,1 Доля участия основного металла в металле шва при однослойной наплавке, % (опыт/расчет) γом 0,33/0,33 0,38/0,38 0,42/0,42 Коэффициент потерь Kпот 0,435 0,384 - Усредненные коэффициенты перехода элементов в металл шва из основного металла при однослойной наплавке (опыт/расчет) 0,981/0,980 0,993/0,993 1,0/0,999 0,690/0,690 0,802/0,802 0,886/0,887 0,854/0,854 0.908/0,908 0,983/0,983 0,563/0,561 0,824/0,822 0,857/0,861 Усредненные коэффициенты перехода элементов в наплавленный металл при пятислойной наплавке (опыт/расчет) 0,630/0,630 -/0,770 0,850/0,830 0,754/0,754 -/0,741 0,731/0,730 0,549/0,550 -/0,556 0,635/0,635 0,010/0,010 -/0,013 0,015/0,014 0,338/0,338 -/0,346 0,351/0,351 Количество металлических компонентов в шихте на 100 г порошковой проволоки: Компонент Fe С Si Mn Al Cr Ti Cu Масса, г 16,123 0,009 0,243 0,945 0,504 0,002 0,163 0,001 Количество неметаллических компонентов в шихте на 100 г порошковой проволоки: Компонент Na2SiF6 CaCO3 MgO SiO2 CaF2 TiO2 Al2O3 FeO ZrO2 Масса, г 1,030 1,456 0,03 0,205 4,869 3,741 0,020 0,119 0,040 При нагреве и плавлении порошковой проволоки отдельные компоненты, имеющие относительно низкую температуру испарения или диссоциации, удаляются в газ. Расчет показал, что в газ из шихты при нагреве 100 г порошковой проволоки удаляется 6,60 г компонентов [20]. В шлак из шихты порошковой проволоки переходит 4,91 г неметаллических компонентов. По опытным данным масса образовавшегося шлака во всех опытах больше полученного значения. Это свидетельствует об окислении отдельных металлических компонентов шихты и ленты в процессе наплавки [20]. Состав шлака по смешению представлен ниже: Компонент CaO MgO SiO2 TiO2 Al2O3 FeO ZrO2 Содержание, мас. % 15,41 0,61 4,17 76,16 0,41 2,42 0,82 Масса наплавленного металла без учета окисления, испарения и разбрызгивания на 100 г порошковой проволоки составляет 88,49 г. Состав наплавленного металла по смешению [20] представлен ниже: Компонент С Si Mn Al Cr Ti Cu Содержание, мас. % 0,074 0,299 1,367 0,570 0,082 0,184 0,001 В табл. 2 приведены концентрации компонентов в наплавленном металле по данным химического анализа. Таблица 2 Состав наплавленного металла по данным химического анализа № п/п Компонент Содержание, мас. % Vпод, м/ч 125 160 182 1 С 0,047 0,056 0,063 2 Si 0,175 0,180 0,184 3 Mn 1,03 1,015 1,00 4 Al 0,051 0,050 0,049 5 Cr 0,045 0,049 0,052 6 Ti 0,053 0,054 0,055 Полученные экспериментальные данные позволили представить зависимости отдельных показателей процесса в виде регрессионных уравнений [20]: mбр = 60,050 + 0,797Vпод - 16,250Рд, где mбр - масса шихты, потерянной на разбрызгивание и испарение металлических компонентов на 100 г порошковой проволоки, г; Vпод - скорость подачи порошковой проволоки, м/ч; Рд - мощность дуги, кВт. Зависимости для массы наплавленного металла: = 26,120 - 0,678Vпод + 14,484Рд и массы наплавленного шлака: = 7,098 - 0,118Vпод + 1,767Рд. Доля участия основного металла в металле сварного шва описывается следующим уравнением: γом = 0,153 + 0,001Vпод + 0,007Рд, где γом - доля участия основного металла в металле шва. Описание методики расчета коэффициентов перехода Определение парциальных коэффициентов перехода заключается в решении системы уравнений с тремя неизвестными [19]: (1) где - общий, усредненный коэффициент перехода элемента Эi в наплавленный металл, a, b, c - доли участия ленты порошковой проволоки, ферросплавов и восстановленного из шлака металла в наплавленном металле; - парциальные коэффициенты перехода элемента Эi в наплавленный металл из ленты, ферросплавов и шлака, - масса элемента Эi в данном объеме металла, кг; - масса порошковой проволоки, кг; Kпот - коэффициент потерь, учитывающий испарение компонентов и разбрызгивание металла; Kзап - коэффициент заполнения; - концентрация компонента Эi в ленте порошковой проволоки, мас. %; %ферk - концентрация ферросплава k в шихте порошковой проволоки, мас. %; - концентрация компонента Эi в ферросплаве k, мас. %; %j - концентрация минерала j в шихте порошковой проволоки, мас. %; (ЭinOm)j - концентрация оксида ЭinOm в минерале j, мас. %; - атомная масса элемента Эi , кг/моль; - молекулярная масса оксида ЭinOm, кг/моль; - масса оксида ЭinOm в шлаке, кг. При выводе уравнений модели были приняты те же допущения и упрощения, что и для ручной дуговой сварки [6]. Были рассчитаны значения усредненных и парциальных коэффициентов перехода элементов из порошковой проволоки в наплавленный металл и их зависимости от скорости подачи порошковой проволоки и мощности дуги (табл. 3). Таблица 3 Результаты эксперимента по однослойной наплавке ПП СП 10 Вычисляемая величина Обозначение Результат Æ = 2,8 мм, Kзап = 0,295 Скорость подачи проволоки Vпод, м/ч 125 160 182 Коэффициенты перехода элементов в наплавленный металл из ленты (опыт/расчет) 0,640/0,641 -/0,767 0,813/0,813 0,630/0,630 -/0,532 0,388/0,389 0,521/0,521 -/0,605 0,665/0,665 0 0 0 Коэффициенты перехода элементов в наплавленный металл из ферросплавов шихты (опыт/расчет) 0,642/0,642 -/0,788 0,861/0,860 0,795/0,795 -/0,820 0,838/0,838 0,563/0,564 -/0,615 0,644/0,643 0,420/0,420 -/0,437 0,442/0,442 Коэффициенты перехода элементов в наплавленный металл из неметаллических компонентов шихты (опыт/расчет) 0,650/0,648 -/0,457 0,320/0,310 После обработки полученных данных (см. табл. 1, 3) выведены регрессионные уравнения, связывающие усредненные и парциальные коэффициенты перехода элементов в наплавленный металл с мощностью дуги Рд, кВт, и скоростью подачи Vпод, м/ч: Усредненные коэффициенты перехода элементов в наплавленный металл = 0,140 + 0,005Vпод - 0,018Рд. = 0,803 - 0,0003Vпод - 0,0015Рд. = 0,497 - 0,003Vпод + 0,057Рд. = -0,0004 + 1,49 ∙ 10-4 Vпод - 0,0011Рд. = 0,309 + 0,000 23Vпод. Парциальные коэффициенты перехода элементов в наплавленный металл = 0,203 + 0,005Vпод - 0,025Рд. = 1,011 + 6,7 ∙ 10-4 ∙Vпод - 0,062Рд. = 0,218 + 0,0021Vпод - 0,0054Рд. = 0,131 + 0,005Vпод - 0,015Рд. = 0,705 + 6,2 ∙ 10-4 ∙ Vпод + 0,0017Рд. = 0,385 + 0,0016Vпод - 0,0028Рд. = 0,361 + 7,3 ∙ 10-4 ∙ Vпод - 0,0043Рд. = 1,340 - 0,0043Vпод - 0,0206Рд. Данные, приведенные в табл. 1 и 3, показывают хорошую сходимость опытных и расчетных значений. Уравнения (1) позволяют решить и обратную задачу: по данным о коэффициентах перехода оценить эффективность состава шихты порошковой проволоки. Расчеты показали следующие значения: - содержание ферросилиция по расчету - 1,4 мас. %, в шихтовке - 1,4 мас. %; - содержание ферротитана по расчету - 1,4 мас. %, в шихтовке 1,7 мас. %; - содержание ферромарганца по расчету 3,4 мас. %, в шихтовке 3,5 мас. %; - содержание железного порошка по расчету 40-60 мас. %, в шихтовке 52,8 мас. %; - содержание алюминиевого порошка по расчету 1-2 мас. %, в шихтовке 1,6 мас. %. Выводы Впервые получены данные по усредненным и парциальным коэффициентам перехода элементов в наплавленный металл при сварке порошковой проволокой ПП СП10 и по их зависимостям от параметров режима. Практически для всех легирующих элементов наблюдается более сильное окисление из ленты, чем из ферросплавов шихты порошковой проволоки. Это, скорее всего, связано с тем, что капли металла, образующиеся при плавлении ленты, непосредственно контактируют при высокой температуре с компонентами воздуха, а капли ферросплавов попадают в зону дуги покрытыми пленкой шлака. Наиболее интенсивно из шихты порошковой проволоки окисляется алюминий. Об этом свидетельствуют концентрации оксида алюминия в шлаке, которые оказались примерно на порядок больше, чем по смешению, и алюминия в наплавленном металле, которые на порядок меньше, чем по смешению. Получены зависимости массы металлической и шлаковой ванн от параметров режима сварки порошковой проволокой ПП СП10. Впервые определены коэффициенты потерь металла при дуговой сварке порошковой проволокой. Предложенная методика позволяет рассчитывать содержание ферросплавов в шихте порошковой проволоки, а разработанный состав для ПП СП10 близок к эффективному.

About the authors

M. P Shalimov

Ural Federal University named after the first President of the Russia B.N. Yeltsin

E. B Votinova

Ural Federal University named after the first President of the Russia B.N. Yeltsin

References

  1. Металлургия дуговой сварки. Процессы в дуге и плавление электродов / под ред. И.К. Походни. - Киев: Наукова думка, 1990. - 223 с.
  2. Ерохин А.А. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки. - М.: Машиностроение, 1964. - 256 с.
  3. Моделирование структуры, свойств и процессов межфазного взаимодействия в системе металл-оксидный расплав-газ / В.Н. Бороненков, М.И. Зиниград, Л.И. Леонтьев [и др.]; под ред. акад. Л.И. Леонтьева; УрО РАН. - Екатеринбург, 2010. - 452 с.
  4. Петров Г.Л. Сварочные материалы. - Л.: Машиностроение, 1972. - 280 с.
  5. Походня И.К., Головко В.Н. Роль стадий капли и ванны в окислении марганца и кремния при сварке в углекислом газе порошковой проволокой // Автоматическая сварка. - 1974. - № 10. - С. 5-6.
  6. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П. Разработка методики расчета состава металла шва при сварке покрытыми электродами или порошковой проволокой // Сварка и диагностика. - 2011. - № 5. - С. 31-35.
  7. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П., Разиков Н.М. Методика определения парциальных коэффициентов перехода элементов при ручной дуговой сварке // Сварка и диагностика. - 2012. - № 1. - С. 28-31.
  8. Шалимов М.П., Вотинова Е.Б., Михайлицын С.В. Определение парциальных коэффициентов перехода элементов в наплавленный металл при сварке рутиловыми электродами // Сварка и диагностика. - 2016. - № 5.- С. 54-57.
  9. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П. Методика расчета и совершенствования состава покрытия сварочных электродов // Сварка и диагностика. - 2016. - № 6. - С. 46-48.
  10. Shalimov M.P., Votinova E.B. Application of the Complete Material Balance Method for development of mathematical model of the process interaction of phase in manual arc welding // The Optimization of the Composition, Structure and Properties os Metals, Oxides, Composites, Nano and Amorphous Materials: Proceedings of the sixteenth Israeli - Russian Bi-National Workshop / Ariel University Israel. - 2017. - P. 101-109.
  11. Походня И.К. Математическое моделирование процессов взаимодействия металла с газами при дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 2003. - № 2. - С. 3-10.
  12. Быков А.Н., Ерохин А.А. Металлургические процессы окисления ферромарганца в электродных покрытиях при их нагреве // Автоматическая сварка. - 1961. - № 9. - С. 10-19.
  13. Потапьевский А.Г. Влияние составляющих режима сварки тонкой проволокой в среде углекислого газа на интенсивность металлургических реакций // Автоматическая сварка. - 1958. - № 2. - С. 11-18.
  14. Петров Г.Л., Минаков И.Т. Характер взаимодействия металла и флюса при автоматической сварке хромоникелевой аустенитной электродной проволокой // Сварка: сб. ст. - Л.: Судпромгиз, 1962. - Вып. 5. - 149 с.
  15. Фрумин И.И. Легирование наплавленного металла при износостойкой наплавке. - Киев: Изд-во АН УССР, 1957. - 64 с.
  16. Бороненков В.Н., Саламатов А.М. Прогнозирование химического состава металла шва при дуговой сварке методом математического моделирования процессов взаимодействия металла, шлака и газа / Урал. политехн. ин-т. - Свердловск, 1985. - 50 с. Деп. в Черметинформации. № 1591.
  17. Мазуровский В.Л. Физико-химические основы разработки современных сварочных материалов: дис. … канд. техн. наук: 02.00.04. - Екатеринбург, 2004. - 145 с.
  18. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П. Физическая модель процесса сварки покрытыми электродами или порошковой проволокой // Сварка: наука, практика, образование: сб. докл. науч.-техн. конф. «Сварка. Контроль и диагностика» / УГТУ-УПИ. - Екатеринбург, 2009. - С. 17-19.
  19. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П. Моделирование процесса дуговой сварки порошковой проволокой // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2015. - Т. 17, № 2. - С. 99-109.
  20. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П., Табатчиков А.С. Оценка параметров процесса дуговой сварки порошковой проволокой // Металлургия: технологии, инновации, качество: тр. ХХ Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 ч. / под ред. Е.В. Протопопова; Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк, 2017. - Ч. 2. - С. 273-277.

Statistics

Views

Abstract - 81

PDF (Russian) - 40

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies