Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова

Друзь Олег Миколайович

УДК 621.791.052:620.18

Регулювання властивостей зварного з’єднання

за допомогою комплексного захисного

середовища

Спеціальність: 05.03.06

Зварювання та споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Миколаїв – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Гедрович Анатолій Іванович, Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, професор кафедри “Обробка металів тиском та зварювання”, м. Луганськ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Савицький Михайло Михайлович, Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, м. Київ, керівник відділу “Фізико-металургійні процеси зварювання середньолегованих високоміцних сталей”.

кандидат технічних наук, доцент Корінець Іван Пилипович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, доцент кафедри “Зварювальне виробництво”.

Захист дисертації відбудеться “ 9 ” жовтня 2007 р. о 1430 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 при Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, корпус Г, ауд. 360.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розіслано “ 6 ” вересня 2007 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор | М.І. Радченко |

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основні напрямки економічного розвитку України передбачають зростання промислового виробництва, підвищення якості продукції, створення ефективних технологічних процесів, у тому числі зварювальних. Світове споживання сталі, у вигляді зварних конструкцій, безперервно зростає. Так, у 1995 р. було вироблено 750 млн. т. сталі, а в 2005 р. – 900 млн. т. і за прогнозом на 2010 р. збільшиться ще більше. З усього обсягу сталі до 70 % споживання припадає на виробництво зварних конструкцій. У різних галузях промисловості: хімічному машинобудуванні, вагонобудуванні, суднобудуванні, автомобілебудуванні і т. ін. у великому обсязі використовується метал малої товщини, крупносерійне і масове виробництво якого стало можливим завдяки застосуванню прогресивних зварювальних технологій, що включають автоматизовані способи дугового зварювання.

Одним із ресурсозберігаючих методів зварювання тонколистових конструкцій із сталей різного складу та призначення є використання примусового охолодження зварного з’єднання із забезпеченням геометрії зварного шва і якості його металу за допомогою захисного середовища у вигляді газу (сумішей газів). Однак застосування холодоагентів є не завжди технологічним. По-перше, існує складність утримання рідкого холодоагенту на охолоджуваній поверхні, особливо складного профілю (необхідно використання повзунів, підкладок, притисків відповідно до профілю поверхні). По-друге, застосування більш технологічних холодоагентів у вигляді паст, кристалічних теплопоглиначів також має ряд недоліків: неналагоджене промислове виробництво, їх висока вартість.

Використання захисних газів та їх сумішей для регулювання властивостей зварного з’єднання на сьогоднішній день вичерпало свої можливості та потребує застосування спеціальних добавок до зварювальних матеріалів (флюсів, газів, електродного дроту), так званих “активаторів”, які підвищують проплавлюючу здатність дуги.

Вищезазначені способи зварювання потребують удосконалення з метою розширення можливостей регулювання температурно-силового впливу дуги при зварюванні шляхом використання нових захисних середовищ. У зв’язку з цим проведення теоретичних і експериментальних досліджень із дугового зварювання у нових захисних середовищах, розрахунок та оптимізація процесів, створення математичних моделей і алгоритмів, технологічних прийомів, які розвивають досягнення в галузі дугового зварювання, є актуальною задачею, що має важливе наукове і практичне значення для підприємств України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно тематиці кафедри “Обробка металів тиском і зварювання” СНУ ім. В. Даля. Висновки і пропозиції дисертаційного дослідження використано в господарських договорах: М-18-01 “Дослідження напруг і деформацій при зварюванні сталі 10Х13Г18ДУ, розробка методу і обладнання для їх зменшення за допомогою штучного охолодження при виготовленні елементів обшивки електро- та дизель-поїздів”, номер державної реєстрації 0203U000432, (2001-2003 рр.); та ГН-14-00 “Методи оптимізації технічних рішень в технологіях об’ємного штампування і штучного охолодження при зварюванні листів з легованої сталі” номер державної реєстрації 0100U006293, (2003-2005 рр.).

Об’єкт дослідження – термодеформаційні процеси, які відбуваються в основному металі при дуговому зварюванні в КЗС.

Предмет дослідження – температурні поля в металі, що зварюється, вплив режиму зварювання та КЗС на термічний цикл металу ЗТВ, формування геометрії зварного шва і властивості зварного з’єднання корпусних конструкцій.

Метою наукового дослідження є регулювання властивостей зварного з’єднання за допомогою комплексного захисного середовища (КЗС), склад якого забезпечує примусове охолодження, локалізацію введення теплоти у зварювальний виріб, активування проплавлюючої здатності дуги, підвищення якості зварних з'єднань з тонколистової сталі.

Для досягнення поставленої мети було вирішено наступні задачі:

1. Аналіз способів зварювання плавленням за термодеформаційним впливом на основний метал, ефективністю та технологічністю.

2. Розробка оптимального складу КЗС для зварювання конструкційних сталей та обладнання для отримання КЗС.

3. Розробка методики та проведення експериментальних досліджень з вивчення властивостей КЗС, регулювання термодеформаційних процесів, геометрії шва і властивостей зварних з’єднань при дуговому зварюванні металу товщиною до 10 мм електродним дротом в КЗС.

4. Розробка методу розрахунку та математичної моделі температурних циклів при зварюванні в КЗС на основі фізичної моделі тепловідводу від зварного з’єднання.

5. Розробка технології та оснащення для зварювання в КЗС (ручного, полуавтоматичного, автоматичного), їхнє впровадження у виробництво.

Методи дослідження. Методичну та теоретичну основу дослідження складають основні положення теорії зварювальних процесів, пластичності й теплопровідності суцільного і дисперсного середовища, методи теорії планового експерименту та математичної статистики, методи імітаційного моделювання. Експериментальні дослідження виконано на вимірювальних установках у лабораторних та промислових умовах і містять наступні методи: фізичні, термоелектричні, термічні, оптичної металографії, механічні. Математична обробка результатів дослідження виконувалась із використанням існуючого програмного забезпечення, а також створеної бази даних для моделювання термічних циклів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку технології зварювання тонколистових конструкцій в газових сумішах з примусовим охолодженням. В дисертації вперше:

- досліджено температурносилові параметри електричної дуги в КЗС різного складу;

- розроблено метод розрахунку та модель термічних процесів при зварюванні в КЗС, реалізація яких дозволяє оптимізувати енергосилові параметри процесу та прогнозувати ймовірні розміри ЗТВ, 2bп, механічні властивості зварного з’єднання при зварюванні в КЗС;

- встановлено кількісну залежність між параметрами КЗС (кратність, дисперсність), режимом зварювання та термічним циклом у межах ЗТВ, отримано рівняння для визначення коефіцієнта поверхневої тепловіддачі в КЗС;

- запропоновано математичну модель термоциклів при зварюванні тонколисто-

вих виробів у КЗС, та рівняння для визначення витрати КЗС з метою зменшення розмірів ЗТВ, 2bп, рівня залишкових напруг та деформацій, обґрунтовано використання для моделювання термічних циклів властивостей матеріалу та холодоагенту в залежності від їх температури;

- розроблено і запропоновано для використання КЗС дисперсного типу, яке поєднує властивості холодоагенту та захисного середовища, встановлено оптимальний склад КЗС.

Дістали подальшого розвитку:

- методи теорії розповсюдження теплоти в середовище з неоднорідними теплофізичними властивостями (КЗС);

- технологія зварювання конструкційних сталей в КЗС, методи регулювання температурно-силової дії (активації) дуги.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено нове технічне рішення, яке дозволяє регулювати розміри зони 2bп, ЗТВ, геометрію шва, рівень залишкових напруг і деформацій, властивості зварного з’єднання в цілому.

Сформовано базу даних для програмного засобу, який засновано на методі скінченних елементів, для автоматизованого розрахунку термічних циклів при зварюванні в КЗС, моделювання теплових процесів у виробі, який дозволяє оцінювати теплове поле у будь-якій точці виробу.

Розроблено рекомендації щодо використання КЗС як холодоагенту та захисного середовища. Зварювання з використанням КЗС рекомендовано при виготовленні елементів дизель-поїздів (ХК “Луганськтепловоз”), контейнерів (Стахановський вагонобудівний завод), обичайок теплообмінників (“Сніжнянськхіммаш”) та інших і впроваджено на підприємствах регіону.

Результати дисертаційного дослідження впроваджено в учбовий процес у СНУ ім. В. Даля.

Особистий внесок здобувача полягає в розвитку теоретичних і технологічних основ зварювання в газових сумішах з примусовим охолодженням. Дисертація є підсумком експериментальних та теоретичних досліджень, що виконувались автором особисто. Запропоновано і реалізовано нове захисне середовище (КЗС), яке забезпечує необхідну якість металу шва при зварюванні конструкційних сталей, зменшує розміри зони 2bп, ЗТВ, рівень залишкових деформацій, дозволяє змінювати геометрію зварного шва (ефект активації), регулювати властивості зварного з’єднання в цілому, за допомогою змінювання складу КЗС.

Розроблено рекомендації, устаткування, технологічні режими зварювання конструкційних сталей в КЗС.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на конференціях: Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми використання низькочастотних коливань в технологічних цілях” СНУ, м. Луганськ, Україна. 8-11 жовтня 2001 р.; Перша Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво” СумДУ, м. Суми, Україна. 31 жовтня – 3 листопада 2001 р.; Наукова конференція професорсько-викладацького складу і наукових співробітників “Наука-2002” СНУ, м. Луганськ, Україна. 17 – 20 квітня 2002 р.; Міжнародна науково-технічна конференція “Обробка, зварювання та зміц-

нення конструкційних матеріалів. Якість та перспективи розвитку” СНУ ім. В. Даля, м. Луганськ, Україна. 29 жовтня – 1 листопада 2002 р.; Міжнародна конференція “Сучасні проблеми зварювання та ресурсу конструкцій” ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України, м. Київ, Україна. 24 – 27 листопада 2003 р.; II Східноукраїнська науково-технічна конференція “Зварювання, лиття та споріднені процеси” СНУ ім. В. Даля, м. Луганськ, Україна. 4 – 6 листопада 2003 р.; Наукова конференція професорсько-викладацького складу і наукових співробітників “Наука-2004” СНУ ім. В. Даля, м. Луганськ, Україна. 19 – 21 квітня 2004 р.; Університетська конференція “35 років кафедрі Зварювання” СНУ ім. В. Даля, м. Луганськ, Україна. 21 січня 2005 р.; Наукова конференція професорсько-викладацького складу і наукових співробітників “Наука-2006” СНУ ім. В. Даля, м. Луганськ, Україна. 18 – 21 квітня 2006 р.; II Міжнародна науково-методична конференція “Сучасні проблеми зварювання та споріднених технологій, удосконалювання підготовки кадрів” ПДТУ, м. Маріуполь, Україна. 11 – 14 вересня 2006 р.

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковано в 11 роботах, з них: 8 науково-технічних статей у спеціалізованих виданнях ВАК, 3 тези науково-технічних конференцій, нові технічні рішення захищено 8 патентами України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота загальним обсягом 265 сторінок машинописного тексту, основний зміст викладено на 130 сторінках, містить 23 таблиці та 78 рисунків, складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел з 158 найменувань і 4 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету роботи й визначено шляхи її досягнення, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано основні положення, що виносяться на захист.

Розділ 1. Сучасний стан питання. Проведено аналіз різних способів зварювання, за енерговитратами. Встановлено необхідність розвитку та вдосконалювання способів дугового зварювання в захисних газах та їх сумішах. Розглянуто вплив режимів зварювання на розмір зони пластичних деформацій. Встановлено, що найбільший вплив (при постійній погонній енергії) має швидкість зварювання. Розглянуто вплив “активаторів” та механізм активування проплавлюючої здатності дуги, з точки зору двох гіпотез: зміни сили поверхневого натягу металу зварювальної ванни із зміненням конвекційних потоків, і гіпотези контрагування дуги. Наведено існуючі способи активування і виявлено їх недоліки: нетехнологічність, необхідність введення додаткової технологічної операції нанесення та видалення після зварювання з поверхні активатору, приготування активуючих флюс-паст безпосередньо перед їх нанесенням, швидке затвердіння флюс-паст на інструментах, відшаровування та неоднорідність флюс-паст, труднощі та небезпека використання аерозольних активаторів (особливо у закритих приміщеннях), додаткові операції травлення, занурювання та сушіння при нанесені активаторів із розчинів на поверхню зварювального дроту. Виявлено, що найбільш технологічним є введення активаторів до захисного газу. Найбільш дослідженими є способи активування при зварюванні вольфрамовим електродом в середовищі інертних газів. Використання

активування для зварювання електродом що розплавлюється в активних газах досліджено недостатньо і потребує подальшого вивчення. Відповідно до теорії, згідно якої лише 48,4% вкладеного у стикове з’єднання тепла йде на формування зварного шва, а інше призводить до зварювальних деформацій і напруг, обґрунтовано необхідність використання примусового охолодження при зварюванні тонколистових конструкцій.

Великий внесок у розвиток фундаментальних основ зварювання в захисних газах із примусовим охолодженням зробили Сагалевич В.М, Махненко В.І., Лобанов Л.М., Гедрович А.І., Асніс А.Є., Сапіро Л.С., Новожилов Н.М, Ліподаєв В.Н.; у проектування, моделювання, виробництво, вивчення термо-деформаційних процесів – науковці провідних наукових шкіл України, зокрема ІЕЗ ім. Є.О. Патона, у вирішення проблем зварювання у газових середовищах з використанням активаторів – Патон Б.Є., Походня І.К., Швачко В.І., Лєсков Г.Н., Бадьянов Б.Н., Давидов В.А., Савицький М.М., Колупаєв Ю.Ф., Буднік Н.М., Євченко В.М., Білоусов Ю.Г., Варуха Є.Н., Лєнівкін В.А., Дюргеров Н.Г., Воропай Н.М., Гвоздецький В.С., Дудко Д.А. та ін.

З аналізу сучасних тенденцій та проблем розвитку бездеформаційних способів зварювання, регулювання властивостей зварного з’єднання, а також відповідно до мети роботи, вказано на необхідність розробки КЗС, яке дозволяє значно розширити межі регулювання властивостей зварного з’єднання, геометрії шва, залишкових деформацій. Це потребує розвитку нових КЗС, які об’єднують властивості газового захисного середовища і рідкого холодоагенту.

Розділ 2. Вибір напрямку і методів дослідження. Методичною і теоретичною базою дослідження обрано основні положення теорії зварювальних процесів, пластичності, теплопровідності, термодинамічні методи, що містять інженерні підходи, методи планованого експерименту, імітаційного моделювання.

Вибір зварювальних матеріалів для досліджень обумовлено необхідністю виявлення розмірів зони пластичної деформації за смугами Чернова-Людерса, якими є Ст.3кп ДСТ 380-71 и ВСт.3пс ДСТ . Експериментальні дослідження проводили на пластинах розміром 300Х200 мм товщиною до 10 мм. Для зварювання використовували дріт Св-08 ДСТ діаметром від 0,8 до 4 мм. Лабораторна установка була виготовлена з вузлів автомату АДС-1000-1 з джерелом живлення ТДС-1000-4, також використовувалися автомати АДГ-502, АДФ-501. Для зварювання використовувався постійний струм, зворотної полярності, максимальна напруга дуги обмежувалася значенням 30 В. Інші технологічні режими приймалися за довідковими даними в залежності від товщини пластини.

Розглянуто основні металургійні реакції можливі при зварюванні в КЗС. Виявлено, що КЗС є активним окисним захисним середовищем.

Для обґрунтування складу КЗС використано комплексний показник якості за ДСТ 15467-79:

, (1)

де Кі - показник і-ої властивості оцінюваної продукції (зварювально-технологічна характеристика (ЗТХ)),

vі - коефіцієнт вагомості показника Кі, що встановлюється експертами чи

обґрунтовується на підставі існуючих даних.

У якості і-ої властивості оцінюваної продукції виступає ЗТХ, кожній з якої привласнюються бали: відмінно - 3 бали, добре - 2 бали, задовільно - 1 бал, незадовільно - 0 балів. Коефіцієнт vі обирали виходячи з існуючих експертних даних. Після розрахунків за формулою (1) вибирали середовище з найбільшим значенням Ко, що забезпечує вимоги до КЗС.

Для отримання КЗС розроблено генератор на основі диспергаційного апарату Л.В. Іванова.

Основою КЗС стала дисперсна система, яка містить у своєму складі рідку фазу (водяний розчин поверхнево активної речовини (ПАР)) – 25-10% та газову фазу (газ-наповнювач) – 75-90%. У якості ПАР використано речовину “ПЕГАС” ДСТУ , яка містить олеінсульфонат натрію - 1,5%, інгібітори корозії (два- та три-заміщені фосфати натрію) - 0,2-0,4%, карбаміди - 16%. У якості газу-наповнювача використовували повітря, СО2, Ar, О2, їх суміші. До рідкої фази КЗС додавали розчини мінералів NaCl, KCl, KClNaCl, CaCl2, Na2CO3, K2CO3 (максимальна концентрація розчину 12%), з метою підвищення стійкості дуги.

Експериментально досліджено зварювально-технологічні властивості КЗС.

Кратність - відношення об’єму КЗС до об’єму рідини в його складі. Визначалась за допомогою зважування КЗС відомого об’єму, зважуванням також визначали щільність КЗС.

Дисперсність характеризує середній розмір газових ячейок, які визначали за допомогою фотографування із збільшенням в 30 – 50 разів. Середня дисперсність КЗС визначалася як відношення площі поля до числа ячейок.

Стабільність КЗС характеризує час його існування до повного чи часткового руйнування. Експериментально визначали шляхом візуального спостереження за руйнуванням стовпа КЗС, який отримували за допомогою продування через розчин ПАР повітря в мірному циліндрі. Характеристикою стабільності служив час руйнування половини стовпа КЗС.

Електропровідність КЗС визначалась приладом Майлса, що представляє собою вертикально розташований скляний циліндр діаметром 3,2 см і висотою 45 см. В стінки циліндра впаяні електроди з протилежних сторін на відстані один від одного по вертикалі 16 см. У нижній частині циліндра мається скляний пористий фільтр, при продуванні повітря через який в циліндрі виникає КЗС. Опір КЗС реєстрували потенціометром. Електропровідність КЗС визначалася як зворотне значення її опору.

Здатність КЗС утримувати частки мінералів кількісно виражає міцність прикріплення часток до бульбашки газу й оцінюється силою, необхідною для відриву частки від бульбашки. Для оцінки використовували методику Классена: вимірювання кута нахилу площини, при якому бульбашка повітря відривається від мінеральної частки. Для цього на скляну пластину наклеювали порошок мінералу і занурювали її в розчин ПАР так, щоб порошок був знизу, після чого підводили до нього повітряну бульбашку, розмір бульбашки фіксували. Потім пластину нахиляли до моменту відриву бульбашки і фіксували кут нахилу. За кутом відриву та об’ємом бульбашки визначали піднімальну силу та силу прикріплення.

В'язкість КЗС для зварювальних цілей характеризує її захисну здатність. Для визначення в'язкості КЗС використано закон Стокса. За допомогою кінозйомки

визначали швидкість падіння скляних кульок діаметрів: 3,5 мм, 4 мм, 5 мм і 6 мм у стовпі КЗС. Вимірювання проводили для КЗС із кратностями 6, 20, 40.

Ізолююча здатність КЗС характеризує ефективність захисту плавильного простору. Визначалася за часом руйнування цілісності шару КЗС висотою 50 мм на поверхні металевої пластини нагрітої до температури 100-120 С. Підігрів пластини здійснювали із зворотної сторони газовим пальником.

Криючу здатність КЗС визначали за часом стікання КЗС із кратністю k=(20 - 30) об’ємом 1,510-3 м3 із плоскої поверхні металевого листа розмірами 400Х250 мм, розташованого під кутом 15.

З оптичних властивостей КЗС виділено його непрозорість для світлового випромінювання дуги.

Охолоджуючу здатність КЗС визначали аналітично, методом моделювання та перевіряли експериментально. За основу аналітичної моделі нами було узяте рівняння граничного стану процесу поширення тепла при нагріванні пластини потужним лінійним джерелом, що швидко рухається. Моделювання здійснювали на програмному засобі заснованому на методі скінченних елементів. Експериментально охолоджуюча здатність КЗС визначалась за допомогою хромель-алюмелевої термопари ХА ДСТ і універсального запам'ятовуючого осцилографа З8-12 ДСТ9810-69. Зварювання проводилося на зразках зі сталі ВСт3пс ДСТ 380-71 з розмірами 300Х200Х5 мм. Охолодження однобічне зі зворотної від шва сторони. Режим зварювання: Ісв=250 А, Uд=30 В, Vсв=30 м/год, діаметр зварювального дроту 2,5 мм, КЗС наносилася на ділянку пластини шириною 150 мм із центруванням відносно шва.

Стійкість горіння дуги в КЗС визначалася за її розривною довжиною. Для цього був виготовлений циліндричний корпус діаметром 80 мм з отворами для двох електродів, один з яких плавиться, а другий ні, а також для подачі в зону горіння дуги КЗС. Дуга запалювалась за допомогою третього вугільного електрода. Дуга живилась від джерела постійного струму ВД-306 прямої полярності, сила струму 55 А.

Технологічні властивості дуги (тип, форма) визначалися кінозйомкою. Для фіксації на кіно і фотоплівці стовпа дуги, використовували зварювальні світлофільтри Г-3 за ДСТ9497-74, ДСТ12.4.080-79. КЗС із генератора подавалася в циліндричний корпус, який не проводить струму. Висота корпусу 160 мм внутрішній діаметр 60 мм. Після заповнення половини об’єму корпусу на електроди подавалася напруга, дуга горіла до обриву. Подача КЗС у корпус не припинялася до обриву зварювальної дуги. Одночасно проводилася кінозйомка. Інші експериментальні дослідження проводили за стандартними методиками відповідно до ДСТів.

Розділ 3. Результати експериментальних досліджень. Для використання у якості холодоагенту необхідно використовувати КЗС із якнайменшою кратністю, для використання у якості захисного середовища найбільш технологічними є КЗС із кратністю від 20 до 100. Для КЗС із середньою і низькою кратністю підтверджено відому залежність середнього розміру ячейок від кратності:

(2)

де k – кратність,

– поверхневий натяг,

ж – щільність розчину ПАР (рідкої фази),

g – прискорення вільного падіння,

h – висота від рівня контакту дисперсного середовища з розчином ПАР.

Середній розмір ячейок КЗС склав dср=0,32 мм рис. 1.

Електропровідність КЗС наведено на рис. 2.

Рис. 1 Залежність середнього розміру ячейок від кратності КЗС

Рис. 2 Діапазон зміни виміряної питомої електропровідності КЗС
від її кратності

Час руйнування половини стовпа КЗС, виготовленого з 10% розчину ПАР, склав 21,07 хв, з добавкою твердої фази (тальк) 5% за об’ємом - 15,23 хв. Із уведенням дрібнодисперсних часток час руйнування половини стовпа КЗС зменшується (у дослідженому випадку на 25 - 27%).

Розрахунками встановлено, що для зварювання стельових швів необхідно використовувати КЗС високої кратності k1021,724, а як газ-наповнювач – Не.

Модуль пружності КЗС складає 660 – 665 Н/м2.

Сила прилипання часток мінералів до КЗС склала F=0,0002 Н.

В'язкість КЗС із кратністю 20 - 25 склала КЗС=3 МПас рис. 3.

Рис. 3 Залежність в’язкості КЗС від її кратності

Стійкість КЗС до температур 100–120С склала близько 1 хв, рис. .

Швидкість стікання КЗС із кратністю 25 складає 14,82 мм/с.

Результати експериментів з визначення щільності КЗС наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Значення щільності КЗС у залежності від кратності

Кратність КЗС (k) | Щільність КЗС (), кг/м3газ-наповнювач – повітря | газ-наповнювач – СО2газ-наповнювач – Не | 6 | 176,005 | 176,648 | 175,149

20 | 53,646 | 54,378 | 52,670

50 | 22,182 | 22,937 | 21,175

Після обробки термічних циклів були отримані наступні швидкості охолодження зварного з’єднання за допомогою КЗС:

Зі зворотної сторони від шва (термопара закарбована в корінь шва):

В інтервалі температур 800-500С w=21-25С/с.

В інтервалі температур 500-300С w=15-20С/с.

У зоні термічного впливу лицьової сторони (на відстані в 5мм від лінії сплавлення) термопара знаходилася під шаром флюсу:

В інтервалі температур 800-500С w=8-12С/с.

В інтервалі температур 500-300С w=5-9С/с.

Рис.4 Час порушення суцільності шару КЗС різної кратності

на металевий пластині з температурою 100 – 120 С

Обґрунтовано необхідність використання властивостей металу та холодоагенту як функції від їх температури. При моделюванні термічних циклів з примусовим охолодженням за допомогою КЗС рекомендовано використовувати коефіцієнт поверхневої тепловіддачі :

, (3)

де Т - температура поверхні, С;

- ступінь чорності поверхні (для сталей =0,8-0,9).

Рекомендована витрата КЗС як холодоагенту наведена на рис. 5.

Рис. 5 Рекомендована витрата КЗС в залежності від уведеної у стикове з’єднання потужності

Результати моделювання гілок охолодження термоциклів для різних холодоагентів наведено на рис. 6, похибка із експериментальними даними становить не більше 10%.

Отримано апроксимаційні залежності властивостей Ст3 від температури, які використано при моделюванні рис. 7.

Виявлено, що найбільш раціонально збільшувати до значень 0,2  рис. 8. Експериментально встановлено, що КЗС має значення від 0,006 до 0,025  в залежності від кратності рис. 9.

З досліджених ПАР найбільшу розривну довжину дуги 16 мм забезпечила речовина “ПЕГАС” за ДСТУ 3789-98, яка була прийнята за основу КЗС. Вплив складу КЗС на зміну глибини проплавлення і розмір ЗТВ при наплавленні точок наведено на рис. 10.

Рис. 6 Гілки охолодження термічних циклів при зварюванні із примусовим
охолодженням зворотної сторони пластини (термопара закарбована в корінь шва)

Рис. 7 Залежність властивостей Ст3 від температури: m - коефіцієнт Пуассона, а - коефіцієнт лінійного розширення (х10-6С), - теплопровідність ().
Е - модуль пружності (МПа), Е0-650 –в діапазоні температур від 0 до 650 С,
Е650-1600 – в діапазоні температур від 650 до 1600 С, С - теплоємність ().

Виявлено розрахункові залежності між властивостями зварного з’єднання та його твердістю. Для моделювання твердості у різних частинах ЗТВ було прийнято модель Лебедєва Б.Д., яка після експериментальної перевірки та корекції для зварювання із використанням КЗС прийняла вигляд:

(4)

де вуглецевий еквівалент Се=;

– товщина пластин, мм;

w – швидкість охолодження в інтервалі 600-500С, град/с.

Похибка моделі не перевищує 2,5% рис. 11.

Рис. 8 Залежність розміру від ,
для пластини ВСт3пс 300Х200Х2

Рис. 9 Залежність коефіцієнту тепловіддачі () від кратності КЗС (k)

При однобічному охолодженні пластин, товщиною 5 мм, що зварюються під флюсом, за допомогою КЗС, ширина активної зони зменшилася в середньому на

30% з 50 мм до 40 - 35 мм. При зварюванні електрозаклепок в КЗС у порівнянні зі зварюванням у захисних газах розміри ЗТВ зменшується в середньому на 14%.

Виявлено вплив складових КЗС на форму дуги. За Ленівкіним В.А. визначено найбільш технологічні дуги, які нами отримано за допомогою складів КЗС №16 та №12 табл. 2.

Рис. 10 Вплив складу КЗС на зміну глибини проплавлення і розмір ЗТВ

Рис. 11 Значення твердості за залежністю (4) та експериментальні твердості
зварного з’єднання при зварюванні в КЗС

Розділ 4. Використання КЗС при зварюванні корпусних конструкцій. Розглянуто випадки зварювання у нижньому та стельовому положенні. Проведено розрахунок можливості відриву каплі від електроду. Виявлено складність переносу мета-

лу при зварюванні в стельовому положенні, для полегшення переносу необхідно до складу КЗС вводити до 5% кисню, що змінює коефіцієнт поверхневого натягу розплавленого металу. Для зварювання стельових швів необхідно використовувати як газ-наповнювач КЗС Не, та інші гази або суміші що легше повітря.

Таблиця 2

Вплив складових КЗС на форму дуги

Номер КЗС | Склад КЗС | Форма дуги | Значення КО за ДСТ 15467-79

(залежність 1) | 16 | 10 %-й водяний розчин ПАР + 8% розчин Cl (хлорна вода), газ-наповнювач – СО2. |

2,5 | 12 | 10%-й водяний розчин ПАР, газ-наповнювач – Ar |

2,45 | 13 | 10%-й водяний розчин ПАР + 5% розчин Cl (хлорна вода), газ-наповнювач – Ar. |

2,4 | 5 | 8%-й водяний розчин ПАР + 10%Na2CO3 + 10%KCO3, газ-наповнювач – повітря |

2,4 | 1 | 8%-й водяний розчин ПАР, газ-наповнювач – повітря |

2,4 | Використання КЗС, як холодоагенту для примусового охолодження на ВАТ “Сніжнянськхіммаш”, ТОВ “Луганський машинобудівний завод ім. Пархоменко”, ХК “Луганськтепловоз”, “Стахановському вагонобудівному заводі” дозволило знизити зварювальні деформації в середньому на 50%, що дозволило розвивати бездеформаційні способи зварювання. Використання КЗС як холодоагенту легко вписується у виробничий процес та не потребує значних додаткових витрат.

Використання КЗС як захисного середовища рекомендовано при зварюванні конструкційних сталей. Економічний ефект прогнозується за рахунок зменшення витрати захисного газу (при використанні захисного газу на 1 м шва витрати становлять 30 м3 газу, при використанні КЗС – 0,03 м3), та за рахунок використання ефекту активацій проплавлюючої здатності дуги (використання КЗС дозволяє підвищити глибину проплавлення в середньому на 20% без змінення технологічних режимів).

Розроблено технологію зварювання з’єднань на прикладі корпусних виробів

вагонобудування, контейнерів та ін.

Наводяться результати аналізу застосування розробленого КЗС, технології, устаткування.

Результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень у вигляді бази даних, нових технічних рішень і технологічних рекомендацій використано в промислових умовах.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Способи дугового зварювання металів у захисних газах та їхніх сумішах не дають змоги регулювати властивості зварного з'єднання. Аналіз способів зварювання в сумішах захисних газів показав, що регулювання властивостей з'єднання і геометрії шва вичерпало свої можливості та вимагає введення в міждуговий простір спеціальних добавок – активаторів. Всі існуючі методи активування проплавлення мають ті чи інші недоліки, що стримує їхнє широке застосування. Крім того, активатори не дозволяють регулювати розподіл тепла у виробі при зварюванні (тепловідвід). Отже, необхідна розробка нових захисних середовищ, що поєднують у собі властивості захисних газів, активаторів проплавлення і рідких холодоагентів.

2. Розроблено нові комплексні захисні середовища (КЗС) на основі водяного розчину ПАР "ПЕГАС" за ДСТУ 3789-98 (до 25%) і сумішей захисних газів (від 75% і більш), що дозволяють розширити технологічні властивості зварювальної дуги. На спосіб зварювання в КЗС отримано патент № 47739.

3. Застосування КЗС дозволяє в широкому діапазоні регулювати геометрію зварного шва, ініціює ефект активації проплавлення дуги, глибина проплавлення збільшується на 20 – 25%. Максимальну глибину проплавлення забезпечують склади КЗС №1 (8%-й водяний розчин ПАР, газ-наповнювач – повітря), №11 (8%-й водяний розчин ПАР газ-наповнювач – Ar), №12 (10%-й водяний розчин ПАР, газ-наповнювач – Ar), №16 (10%-й водяний розчин ПАР + 8% розчин Cl (хлорна вода), газ-наповнювач – СО2). Використання КЗС дозволяє зварювати тонколистові вироби на режимах зі зниженою погонною енергією, тобто більш локально вводити тепло. Експериментально встановлено, що найкращими є склади КЗС, що містять Ar, особливо з додаванням розчинів солей галогенідів.

4. КЗС дозволяє перерозподілити теплоту, що вводиться у виріб і зменшити розміри ЗТВ на 25 – 50% при автоматичних способах зварювання, на 14 – 25% при зварюванні електрозаклепками, а також зменшити розмір зони пластичних деформацій на 30 – 50%. Перерозподіл теплоти (тепловідвід) забезпечується безпосереднім контактом рідкої фази КЗС із нагрітою поверхнею. Експериментально встановлено, що найбільш ефективно відводять тепло КЗС із найменшою кратністю (k=4 – 10) і з додаванням розчинів мінералів. Мінімальні розміри ЗТВ і зони пластичних деформацій забезпечують склади КЗС №5 (8%-й водяний розчин ПАР + +10%Na2CO3 + 10%KCO3, газ-наповнювач – повітря) і №13 (10%-й водяний розчин ПАР + 5% розчин Cl (хлорна вода), газ-наповнювач – Ar).

5. Для моделювання термоциклів обґрунтовано використання властивостей матеріалів і холодоагентів, як функцій від температури. Отримано рівняння поверхневої тепловіддачі при зварюванні в КЗС, експериментально встановлено, що значення поверхневої тепловіддачі в КЗС можна регулювати в діапазоні від 0,006 до 0,025 Вт/(см2С), визначено кількісні залежності між властивостями КЗС і його

охолоджувальною здатністю. Виявлено розрахункові залежності між твердістю ділянок ЗТВ і їхніми механічними властивостями.

6. Спосіб зварювання в КЗС є ресурсозберігаючим методом зниження залишкових зварювальних напруг і деформацій у тонколистових конструкціях, а застосування КЗС є більш технологічним за використання рідких холодоагентів. Використання КЗС дає можливість сполучити в часі технологічні операції захисту зони зварювання від атмосферного повітря і примусового супутнього охолодження зварного з'єднання.

7. Розроблені КЗС оптимального складу пройшли випробування на Стахановському вагонобудівному заводі, ХК "Луганськтепловоз", заводі ім. Пархоменко, заводі "Сніжнянськхіммаш" як холодоагенти та захисні середовища при зварюванні металу товщиною до 10 мм і впроваджені у виробництво, що дозволяє підвищити якість зварних конструкцій корпусного типу і знизити трудові й енергетичні витрати на 20 – 30% у процесі їхнього виготовлення і післязварювальної обробки (випрямлення). Економічний ефект від використання КЗС досягається за рахунок активації проплавлення і зменшення витрат захисного газу на 1 м шва з 30 м3 до 0,03 м3.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гедрович А.И., Друзь О.Н. , Фирсов В.В. Исследование процессов в дуге, существующей в специальной защитной среде. // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2002. – №7 (53). – С. 182 – 190.

2. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Возможность применения пены для регулирования теплоотвода. // Вісник СНУ ім. В. Даля. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля, 2003. – №8 (66). – С. 60-65.

3. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Поиск ресурсосберегающих технологий для уменьшения остаточных напряжений и деформаций металлоконструкций. // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском металів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2002. – С. 214 – 220.

4. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Ресурсосберегающий метод регулирования размеров зоны пластических деформаций при локальном введении тепла в металлоконструкции. // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском металів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. В 2-х ч. Ч.1. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2003. – С. 183 – 190.

5. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Возможность получения качественного соединения при сварке в комплексной защитной среде // Вісник СНУ ім. В. Даля – Луганськ: Вид-во СНУ., 2003. - №11. – С. 46 – 50.

6. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Ресурсосберегающий способ сварки и метод управления геометрическими параметрами сварного шва // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском металів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. В х ч. Ч.1. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2004. – С. 194 – 203.

7. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Теплопередача и формирование активной зоны при сварке в защитных газах // Вісник СНУ ім. В. Даля – Луганськ: Вид-во СНУ., 2006. – №6(100). – С. 82 – 87.

8. Гедрович А.И., Друзь О.Н., Пантелеев М.В. Исследование и моделирование термических циклов при сварке в комплексной защитной среде // Вісник СНУ

ім. В. Даля – Луганськ: Вид-во СНУ., 2005. – №7(89). – С. 37 – 45.

9. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Анализ охлаждающих жидкостей, применяющихся в промышленности и возможность их применения в сварочном производстве // Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво: Тези доповідей I Всеукр. Наук.-техн. конф. – Суми: СумДУ, 2001. – С. 16 – 18.

10. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Влияние комплексной защитной среды на свойства сварных соединений // Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров: Материалы II междунар. научн.-техн. конф., посвященной 60-летию кафедры “Оборудование и технология сварочного производства” и 35-летию сварочного факультета ПГТУ – Мариуполь: ПГТУ, 2006. – С. 56.

11. Гедрович А.И., Друзь О.Н. Влияние состава защитной среды на технологические свойства дуги и качество сварных соединений. // Современные проблемы сварки и ресурса конструкций: Материалы междунар. научн. конф. – Киев., 2003. – С. 19 – 20.

12. Охолоджуючий пристрій для зниження зварювальних деформацій та напруг: Пат. Україна : МПК7 В23К9/035, В23К9/038 / Гедрович А.І., Гальцов І.О., Друзь О.М. – №47721 А/UA; Заявл. 13.08.2001; Опубл. 15.07.2002, Бюл. №7 –  с.

13. Пристрій для охолодження зварного з’єднання: Пат. Україна : МПК7 В23К9/035, В23К9/038 / Гедрович А.І., Гальцов І.О., Друзь О.М. – № А/UA; Заявл. 09.12.2002; Опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12 – 3 с.

14. Спосіб дугового зварювання у середовищі піни: Пат. Україна : МПК7 В23К9/035, В23К9/038 / Гедрович А.І., Гальцов І.О., Друзь О.М. – № 47739 А/UA; Заявл. 27.08.2001; Опубл. 15.07.2002, Бюл. № 7 – 3 с.

15. Спосіб зварювання аустенітної нержавіючої сталі: Пат. Україна : МПК7 В23К33/00, В23К31/00 / Гедрович А.І., Гальцов І.О., Друзь О.М. – № 62165 А/UA; Заявл. 09.12.2002; Опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12 – 3 с.

16. Спосіб зменшення залишкових зварювальних деформацій і напруг: Пат. Україна : МПК7 В23К9/035, В23К9/038 / Гедрович А.І., Друзь О.М. – № А/UA; Заявл. 06.12.2002; Опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12 – 2 с.

17. Спосіб зменшення залишкових зварювальних деформацій і напруг: Пат. Україна : МПК7 В23К9/035, В23К9/038 / Гедрович А.І., Друзь О.М. – № А/UA; Заявл. 09.12.2002; Опубл. 16.02.2004, Бюл. № 2 – 2 с.

18. Спосіб зменшення зварювальних деформацій та напруг: Пат. Україна : МПК7 В23К33/00 / Гедрович А.І., Гальцов І.О., Друзь О.М. – № А/UA; Заявл. 25.02.2002; Опубл. 15.01.2003, Бюл. № 1 – 2 с.: кресл.

19. Спосіб зменшення зварювальних деформацій та напруг: Пат. Україна: МПК7 В23D9/035, B23D9/038 /Гедрович А.І., Гальцов І.О., Друзь О.М. – № А/UA; Заявл. 05.03.2002; Опубл. 15.01.2003, Бюл. № 1 – 1 с.

В наведених роботах автору належить наступне:

[1], [10], [11] Розробка устаткування, проведення експериментів, обробка результатів, теоретичне обґрунтування та аналіз шляхів впливу середовища на процеси у зварювальній дузі та на якість і властивості зварного з’єднання.

[9] Аналіз існуючих в промисловості холодоагентів та вибір найбільш ефективних з них з метою використання при дуговому зварюванні.

[2] Проведення експериментів, теоретичне обґрунтування та аналіз тепловід-

воду за допомогою дисперсної системи у вигляді піни. Отримання математичних залежностей для моделювання термічних процесів при зварюванні із примусовим охолодженням піною.

[3] Аналіз шляхів ресурсозбереження при зварюванні, впливу примусового охолодження на зниження остаточних напруг та деформацій. Обґрунтування використання для ресурсозбереження комплексного захисного середовища.

[4] Проведення експериментів, теоретичне обґрунтування використання комплексного захисного середовища як холодоагенту, розроблено режими витрат холодоагенту в залежності від вкладеної у виріб теплоти.

[5] Проведення експериментальної частини, теоретичне обґрунтування використання дисперсної системи як захисного середовища, розробка методики вибору складу захисного середовища за допомогою узагальненого показника якості.

[6] Проведення експериментальної частини, теоретичне обґрунтування можливості подальшого удосконалення способу зварювання в захисних газах. Використання комплексного захисного середовища як методу регулювання геометрії зварного шва, дослідження ефекту активації для різних складів захисного середовища.

[7] Проведення експериментів, аналіз формування активної зони при зварюванні та вплив дуги на процеси в зварювальній ванні, математична модель розрахунку середньої товщини шару рідкого металу у передньому фронті ванни.

[8] Проведення експериментальної частини для перевірки теоретичних даних щодо моделювання термічних циклів при зварюванні з використанням примусового охолодження комплексним захисним середовищем. Корегування існуючої моделі тепловідводу (коефіцієнтів тепловіддачі). Обґрунтування необхідності використання для моделювання властивостей сталі та холодоагенту як функції від температури. Отримання апроксимаційних залежностей для комп’ютерного моделювання.

[12], [13], [15], [19] Ідея використання двофазної дисперсної системи у вигляді активованого (вируючого) шару рідини.

[14], [16], [17] Основна ідея.

[18] Експериментальна перевірка основної ідеї і наведення прикладу виконання зварювання за новим способом.

АнотаціЯ

Друзь О.М. Регулювання властивостей зварного з’єднання за допомогою комплексного захисного середовища. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого