Полный текст

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.

Об авторах

М. П Шалимов

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ)

Е. Б Вотинова

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ)

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 37

PDF (Russian) - 14

Ссылки

• Ссылки не определены.