Application of high-frequency induction heating for increasing crack resistance in the welding of hardening steels

Abstract


The purpose of this work is to investigate the feasibility of implementing such a variant of electric arc welding with heating, in which heat from the source of heating is introduced coaxially with the welding source and added together with the heat of the welding arc. The paper presents an electric arc welding method with heating, in which the source of heating is a high-frequency electromagnetic field generated by a multi-turn inductor coaxially fixed on a welding torch. The local heating zone of the welded article is shown from the action of the high-frequency induction source, as well as the heating circuit of the workpiece to be welded. Experimental studies are conducted to determine the effectiveness of the proposed variant of the welding technology using high-frequency heating as a means of increasing the resistance to cold cracking in the welding of hardening steels for automatic submerged arc welding and argon-arc welding by a non-consumable electrode. For this purpose, the compounds were welded in the form of a technological sample. The results of experimental studies confirming the effectiveness of high-frequency induction heating for increasing the resistance to the formation of cold cracks in the welding of hardening articles are presented.

Full Text

В качестве источников тепла для реализации подогрева при сварке чаще всего используется газовое пламя, а также индукционные нагреватели промышленной частоты, электрические нагреватели сопротивления, плазменные струи [1-6]. Эти способы подогрева наряду с определенными достоинствами обладают одним существенным недостатком - подогрев реализуется как отдельный технологический процесс, разделенный по времени от воздействия сварочного источника тепла. Трудоемкость подогрева в этих случаях зачастую превышает трудоемкость сварки. Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что совершенствование технологии подогрева при сварке и использование новых источников тепла для подогрева являются актуальными задачами в сварочном производстве [7-10]. Целью настоящей работы является исследование возможности реализации такого варианта электродуговой сварки с подогревом, при котором тепло от источника подогрева вводится соосно со сварочным источником и суммируется с теплом сварочной дуги. Источник тепла для подогрева перемещается синхронно со сварочным источником тепла. С целью реализации такой схемы в качестве источника тепла для подогрева используют токи высокой частоты, генерируемые в кольцевом многовитковом индукторе, закрепленном на сварочной горелке соосно с электрической дугой [11]. Одним из основных достоинств высокочастотного индукционного подогрева являются существенно меньшие энергетические затраты по сравнению с другими известными способами подогрева [12]. Блок-схема устройства для реализации высокочастотного индукционного подогрева при сварке представлена на рис. 1. Устройство состоит из сварочной горелки электродуговой сварки 1, высокочастотного кольцевого индуктора 2, закрепленного соосно со сварочной дугой на сварочной горелке 1, источника питания сварочной дуги 3, источника питания высокочастотным переменным током 4 многовиткового индуктора 2, свариваемой детали 5. Локальная зона нагрева свариваемого изделия от действия высокочастотного индукционного источника представляет собой кольцо, которое повторяет форму поперечного сечения индуктора шириной, равной диаметру витка кольцевого индуктора (рис. 2). Такой кольцевой источник нагрева может быть представлен в виде 3 секторов (рис. 3). Передний сектор 1 расположен перед электрической дугой и сварочной ванной 4. Его тепло обеспечивает предварительный подогрев. Два участка среднего сектора 2, перемещающегося по бокам электрической дуги, обеспечивают сопутствующий подогрев свариваемой детали; задний сектор 3 выполняет функцию послесварочного подогрева (термообработки) металла шва 5 и зоны термического влияния. Рис. 1. Блок-схема для реализации высокочастотного подогрева при сварке Рис. 2. Локальная зона нагрева от действия высокочастотного индуктора Рис. 3. Схема нагрева свариваемой детали от действия высокочастотного индукционного источника нагрева Варьирование частоты и мощности электрического тока источником питания многовиткового индуктора позволяет в значительных пределах регулировать температуру и размеры локальных зон нагрева кольцевого источника тепла. Экспериментальное подтверждение эффективности предполагаемого варианта технологии сварки с использованием высокочастотного подогрева как эффективного средства повышения стойкости против образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей проводилось в условиях автоматической сварки под флюсом и аргонодуговой сварки неплавящимся электродом. Для этого производилась сварка соединений в виде технологической пробы, применяемой для качественной оценки стойкости к холодным трещинам при сварке[1] [13-22]. Технологическая проба представляет собой стыковое соединение пластин размером 100×80×10 мм, предварительно приваренных по всему контуру к жесткому основанию (рис. 4). Для инициирования холодной трещины в соединении служил концентратор напряжения в виде непровара. В качестве материала для контрольных соединений использовалась высокоуглеродистая низколегированная сталь марки 60С2 (ГОСТ 14959-79). Рис. 4. Схема технологической пробы Сварку соединений выполняли за 1 проход. Для автоматической сварки применялся флюс марки АН-348А, сварочная проволока Св-08 диаметром 1,6 мм. Параметры режима: сварочный ток 270-280 А, напряжение на дуге 27-28 В, скорость сварки 26 м/ч. Режим аргонодуговой сварки: сварочный ток 180-190 А, напряжение на дуге 9-10 В, скорость сварки 7 м/ч, расход защитного газа, аргона, 12 л/мин, диаметр вольфрамового электрода 2,4 мм. В условиях обоих методов сварки выполнялась серия из 3 образцов без подогрева и с высокочастотным индукционным подогревом. Параметры индукционного подогрева: частота переменного электромагнитного поля 60 кГц, электрическая мощность 3 кВт. После завершения сварки пробы выдерживали при комнатной температуре не менее 3 сут. Наличие трещин фиксировали путем визуального контроля. Трещины возникали в образцах, сваренных без подогрева в течение 2-3 ч после полного охлаждения (рис. 5). Изломы поверхностей трещин имели характерный металлический блеск, что позволило их уверенно отнести к классу холодных трещин. а б Рис. 5. Результаты сварки технологической пробы без подогрева: а - автоматическая сварка под флюсом; б - автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом Во всех сварных соединениях проб, выполненных в условиях высокочастотного подогрева, трещины отсутствовали (рис. 6). а б Рис. 6. Результаты сварки технологической пробы с высокочастотным индукционным подогревом: а - автоматическая сварка под флюсом; б - автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом Выводы 1. Применение высокочастотного индукционного подогрева эффективно для повышения сопротивляемости образованию холодных трещин во время сварки сталей при относительно малых энергозатратах по сравнению с традиционными способами подогрева. 2. Закрепление индуктора для высокочастотного нагрева соосно со сварочной дугой на сварочной горелке обеспечивает формирование в свариваемом изделии кольцевого пятна нагрева, что позволяет реализовать за 1 проход одновременно предварительный, сопутствующий и послесварочный подогрев при сварке.

About the authors

A. S Orlov

Voronezh State Technical University

A. S Pomerantsev

Voronezh State Technical University

S. V Sizintsev

Voronezh State Technical University

References

  1. Предварительный подогрев и качество наплавленного металла / В.В. Ветер, Г.А. Белкин, М.И. Самойлов, И.С. Сарычев // Сварочное производство. - 1990. - № 10. - С. 6-8.
  2. Фрумин И.И. Автоматическая электродуговая наплавка. - Харьков: Металлургиздат, 1961. - 422 с.
  3. Карп И.Н., Сорока Б.С., Дашевский Л.Н. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах. - Киев: Техника, 1967. - 132 с.
  4. Китаев А.М., Китаев Я.А. Справочная книга сварщика. - М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.
  5. Сварка в машиностроении: справ. в 4 т. / под ред. Н.А. Ольшанского. - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 1. - 504 с.
  6. Сварка в машиностроении: справ. в 4 т. / под ред. А.И. Акулова. - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 2. - 462 с.
  7. Безбах Д.К. Влияние ширины зазора на формирование односторонних стыковых швов при автоматической сварке под флюсом // Автоматическая сварка. -1988. - № 6. - С. 48-49.
  8. Оборудование для дуговой сварки: справ. пособие / под ред. В.В. Смирнова. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 656 с.
  9. Справочник электросварщика / М.М. Борт, Л.А. Бялоцкий, Г.Д. Васильев [и др.]. - 2-е изд., перераб. - Киев: Машгиз, 1954. - 515 с.
  10. Справочник по сварке, пайке, склейке и резке металлов и пластмасс / под ред. А.Н. Ноймана, Е.А. Рихтера. - М.: Металлургия, 1980. - 464 с.
  11. Способ автоматической сварки плавлением: пат. 039219 Рос. Федерация / Орлов А.С., Померанцев А.С., Сизинцев С.В. № 2016125032/02; Заявл. 22.06.2016.
  12. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. - Л.: Энергия, 1974. - 264 с.
  13. Гайворонский А.А., Жуков В.В., Шишкевич А.С. Свариваемость высокопрочной углеродистой стали 65Г // Сварка и диагностика. - 2014. - № 5. - С. 49-53.
  14. Скульский В.Ю. Особенности кинетики замедленного разрушения сварных соединений закаливающихся сталей // Автоматическая сварка. - 1997. - № 5. - С. 3-12.
  15. Влияние технологических факторов на структуру и свойства металла ЗТВ при ремонтно-восстановительной наплавке гребней цельнокатаных вагонных колес / В.А. Саржевский, А.А. Гайворонский, В.Г. Гордонный [и др.] // Автоматическая сварка. - 1996. - № 3. - С. 22-33.
  16. Влияние состава наплавленного металла на структуру и механические свойства восстановленных железнодорожных колес / Гайворонский А.А., Поздняков В.Д., Маркашова Л.И. [и др.] // Автоматическая сварка. - 2012. - № 8. - С. 18-24.
  17. Новые методы оценки сопротивляемости металлов хрупкому разрушению / под ред. Ю.Н. Роботнова. - М.: Мир, 1972. - 439 с.
  18. Структурные изменения в участке перегрева металла ЗТВ колесной стали при дуговой наплавке / А.А. Гайворонский, В.В. Жуков, В.Г. Васильев [и др.] // Автоматическая сварка. - 2014. - № 1. - С. 17-23.
  19. Шоршоров М.Х. Испытания металлов на свариваемость. - М.: Металлургия, 1972. - 240 с.
  20. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. - М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.
  21. Гривняк И. Свариваемость сталей. - М.: Машиностроение, 1984. - 215 с.
  22. Ющенко К.А., Дерломенко В.В. Анализ современных представлений о свариваемости наплавке // Автоматическая сварка. - 2005. - № 1. - С. 9-13.

Statistics

Views

Abstract - 54

PDF (Russian) - 52

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

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

About Cookies