Приазовський державний технічний університет

Малигіна Світлана Валеріївна

УДК 621.791.75

Розробка покриття для захисту металоконструкцій від розплавлених Електродних бризок при зварюванні

з попереднім ПІДІГРІВОМ виробів

Спеціальність 05.03.06. – Зварювання та споріднені процеси і технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь – 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович,

Приазовський державний технічний університет МОН України, завідувач кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва”

Офіційні опоненти – | доктор технічних наук, професор

Розмишляєв Олександр Денисович,

Приазовський державний технічний університет МОН України, професор кафедри “Обладнання і технологія зварювального виробництва”

кандидат технічних наук

Літвінов Олександр Павлович,

Азовський морський інститут Одеської національної морської академії МОН України, доцент

Захист відбудеться 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.12.052.01. при Приазовському державному технічному університеті: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Універси-тетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115.

Автореферат розіслано 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д12.052.01

доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У сучасних умовах розвитку промисловості, пов’язаних із виходом на міжнародний ринок, перед виробниками конкурентоспроможної вітчизняної продукції постає важлива проблема зниження трудомісткості виготовлення виробів з додержанням економії матеріальних та енергетичних ресурсів. Відносно виробництва зварних металоконструкцій, яке використовує відомі технологічні процеси, це питання полягає в скороченні кількості енергомістких допоміжних операцій у загальному обсязі складально-зварювальних робіт.

Актуальність теми. Одна із зон скупчення надлишкових витрат трудомісткості складально-зварювального виробництва (до 30-40% трудомісткості зварювання) у важкому машинобудуванні, суднобудуванні, металургії пов’язана з очищенням поверхні виробу від бризок металу. Проблема ускладнюється тим, що основну частку металоконструкцій виробляють дуговим зварюванням плавленням відкритою дугою, для якої характерним є розбризкування електродного металу і пов’язане з цим набризкування поверхонь зварюваних деталей, як чинник, що підвищує трудомісткість виготовлення зварних металоконструкцій, погіршує їх товарний вигляд, знижує термін придатності виробів.

Усунення бризок пов’язано з небезпекою виникнення професійних захворювань у робітників, зайнятих на віброзачисних операціях. У сучасних умовах зниження набризкування металу перестає бути чисто технічним питанням, набуваючи важливого соціально-економічного значення як один із заходів піклування про здоров’я робітників. Зниження набризкування зварюваних деталей відбувається при нанесенні захисних покриттів на їх поверхні. Однак, при зварюванні виробів із попереднім їх підігрівом існуючі захисні покриття не достатньо ефективні через важкі умови їх експлуатації в термічно навантажених ділянках. Згадані обставини визначили вибір теми дисертаційного дослідження, його актуальність і науково-практичне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до тематики кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету. Висновки і пропозиції дисертаційного дослідження використано у держбюджетній науково-дослідній роботі “Підвищення довговічності деталей машин за рахунок розробки зносостійкого наплавлювального матеріалу і нових технологій зміцнення” (номер державної реєстрації 0103U001475). Внесок автора як виконавця полягає у розробленні засобів зниження набризкування і трудомісткості зварювально-наплавлювальних операцій, у оптимізації технологічних параметрів, у розробленні технологічних рекомендацій.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення техніко-економічних характеристик процесу зварювання відкритою дугою на основі розроблення практичних рекомендацій щодо удосконалення складу захисного покриття і технології зварювання.

Для досягнення поставленої мети сформульовано такі основні завдання:

дослідити механізм і кінетику процесів, що призводять до приварювання бризок до поверхні основного металу;

розробити математичну модель теплового стану розплавлених електродних бризок після викиду їх з дугового проміжку в інтервалі температур навколишнього середовища;

дослідити вплив компонентів захисного покриття на початкове збудження і стабільність горіння зварювальної дуги;

розробити експериментальну установку і методику оцінювання впливу захисного покриття на інтенсивність розбризкування електродного металу;

розробити склад покриття для захисту поверхні від налипання бризок розплавленого металу при зварюванні з попереднім підігрівом виробів;

розробити технологічні рекомендації зварювання відкритою дугою по захисному покриттю.

Об’єкт дослідження. Зварювання відкритою дугою по захисному покриттю з попереднім підігрівом виробів.

Предмет дослідження. Засоби зниження набризкування і трудомісткості при зварюванні відкритою дугою.

Методи дослідження. Методичною і теоретичною базою дослідження є основні положення теорії зварювальних процесів і теплопровідності, методи теорії планованого експерименту і математичної статистики. Експериментальні дослідження виконано на вимірювальних і моделюючих установках у лабораторних умовах, а натурні дослідження – у промислових; містять методи вимірювання зварювально-технологічних, термічних, фізико-механічних характеристик, хімічного складу наплавленого металу. Математичне оброблення результатів дослідження виконувалось з використанням існуючого прикладного програмного забезпечення (Microsoft Excel, MathCAD, LS-DINA, Abacus, Delphi), а також спеціально розробленого пакету програм для оптимізації режимів зварювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи становлять наступні основні результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень:

- вперше запропоновано метод розрахунку механічного проникнення бризки у виступи шорсткості деталей, який враховує співвідношення геометричних характеристик бризки і шорсткості деталі, вихідну швидкість польоту і масу бризки, матеріал і механічні властивості, інтенсивність її пластичного деформування об поверхню зварюваної деталі, використання якого дозволяє теоретично обґрунтовано організувати пошук інгредієнтів покриття з потрібними теплофізичними параметрами в функції товщини захисного шару;

- вперше встановлено кількісну залежність між припустимою швидкістю при зварюванні по захисному шару, його складом і процентним вмістом від площі поперечного перерізу шва, зварювальним струмом, використання якої у реальних умовах зварювання забезпечує стабільно високу якість зварних з’єднань;

- удосконалено спосіб оцінювання стійкості електричної зварювальної дуги (патент 23766), що враховує стан зварних кромок, який дозволяє раціонально проектувати склад захисного покриття і корегувати режими зварювання по них у більш вузькій зоні пошуку оптимальних зварювально-технологічних характеристик і якості металу шва;

- набув подальшого розвитку метод розрахунку теплової поведінки електродної бризки розплавленого металу після викиду з дугового проміжку, що враховує теплофізичні властивості (коефіцієнти тепло- і температуропровідності, питому теплоємність), розмір бризок, початкову температуру, відстань до зони ураження поверхні, реалізація якого дозволяє оцінити ступінь їх охолодження в інтервалі температур навколишнього середовища та прогнозувати ймовірність порушення цілісності захисного покриття в термічно навантажених ділянках;

- набули подальшого розвитку науково обґрунтовані технологічні рекомендації щодо зниження набризкування і трудомісткості при зварюванні відкритою дугою виробів з їх попереднім підігрівом, підвищення продуктивності процесу, якості зварного з’єднання і терміну його експлуатації, забезпечення економії матеріальних ресурсів.

Практичне значення одержаних результатів. Проведені автором і з його участю дослідження і розроблені рекомендації дозволили розробити склад покриття із покращеним комплексом службових характеристик для захисту поверхні основного металу від розплавлених бризок електродного металу при зварюванні виробів з їх попереднім підігрівом та оптимізувати режими зварювання по ньому. Це дозволило забезпечити зниження набризкування і трудомісткості при зварюванні відкритою дугою, високі службові характеристики і якість зварних з’єднань, підвищити продуктивність процесу і забезпечити економію матеріальних ресурсів.

Результати роботи у вигляді технологічних рекомендацій впроваджено на промислових підприємствах: АТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча”, АТ “Дружківський машинобудівний завод”, АТ “Завод “Дніпропрес”, в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування УкрНДІМеталургМаш з економічним ефектом понад 160 тис. грн. Низку наукових розробок впроваджено в навчальний процес Приазовського державного технічного університету (ПДТУ), Донбаської державної машинобудівної академії (ДДМА) для студентів спеціальностей 7.092303 “Технологія відновлення та підвищення зносостійкості машин і конструкцій” і 7.092301 “Технологія і обладнання зварювання” і Донецького інституту післядипломної освіти інженерно-педагогічних працівників для педагогічних працівників професійно-технічної освіти. Використовується в науково-дослідній роботі студентів і аспірантів кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва” ПДТУ і кафедри “Зварювальне виробництво” ДДМА.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно проведено аналіз ефективності способів захисту зварюваних виробів від електродних бризок з урахуванням сучасних вимог до виробничих умов, обрано методику дослідження, розроблено програмно-методичний комплекс моделей та алгоритмів прийняття рішень при багатокритеріальній оптимізації технологічних параметрів зварювання по захисному покриттю виробів з їх попереднім підігрівом. Взяла участь у розробці методики визначення стійкості горіння дуги при зварюванні по захисному шару, створенні складу захисного покриття, а також у проведенні експериментальних досліджень, обробленні та аналізі їх результатів. Впровадження результатів роботи виконувалось автором спільно з працівниками кафедри і підприємств. Основні наукові положення, розробки, висновки і рекомендації, що висуваються на захист, одержані автором самостійно.

Результати дисертації одноособово викладено автором у 8 опублікованих роботах і в 11 роботах участь автора складає не менше 35%; захищено 2 патентами. Особистий внесок автора дисертації в наукові праці, опубліковані в співавторстві, конкретизовано у списку публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 23 міжнародних та республіканських науково-технічних конференціях, у тому числі “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов” (м. Харків, 2003, 2005), “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (м. Запоріжжя, 2003), “Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства” (м. Миколаїв, 2003), “Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве” (м. Москва, 2003), “Проблемы механики горно-металлургического комплекса” (м. Дніпропетровськ, 2004), “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку” (м. Краматорськ, 2004, 2006), “Зварювання та суміжні технології” (м. Київ, 2005), “Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров” (м. Маріуполь, 2006).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на науковому семінарі відділу “Фізико-механічних досліджень зварюваності конструкційних сталей і чавунів” інституту ім. Є.О. Патона НАНУ (м. Київ, 2007).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладено у 21 роботі, з них 9 опубліковано у фахових виданнях (згідно з рекомендаціями ВАК України) за науково-технічною тематикою, нові технічні рішення захищено 2 патентами.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи 177 сторінок, у тому числі 112 сторінок машинописного тексту, 70 рисунків та 12 таблиць, перелік використаних джерел з 121 найменування на 13 сторінках, додатки на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та намічені шляхи її досягнення, показано зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Наведено характеристику наукової новизни і практичного значення одержаних результатів, а також їх апробації та впровадження.

Розділ 1. Сучасний стан питання

Розплавлені бризки електродного металу, що утворюються під час зварювання та прилипають до поверхні затверділого металу зварного шва або колошовної зони основного металу, класифікуються як дефекти при зварюванні плавленням. Знаходження деталей у бризконесучому середовищі в процесі їх побудови в металоконструкцію підвищує актуальність проблеми забезпечення якості виробів. Наприклад, при виробництві зварних конструкцій з аустенітних сталей приварені бризки є осередками корозії руйнування. Трудомісткість їх механічного усунення при слюсарно-дороблювальних роботах зростає із підвищенням коефіцієнта скупченості бризок на поверхні зварюваного металу, при попередньому підігріві виробів, знижуючи економічний і соціальний ефект при дуговому зварюванні плавленням відкритою дугою. При цьому створюються численні концентратори напруги, що знижують тривалу міцність виробів при змінних навантаженнях. Аналіз ефективності способів захисту зварних виробів, що дозволяють знизити забрудненість зварних вузлів у зонах їх ймовірного ураження від контактного співудару з розплавленими бризками, з урахуванням сучасних вимог до виробничих умов дозволив визначити напрям наукового дослідження.

Розділ 2. Вибір напряму і методів дослідження

Ефективність застосування захисних покриттів і можливості зварювання по ним залежать від загальної стабільності процесу, яка визначається постійністю формування шву, характером перенесення і втратою електродного металу. У зв’язку з цим розроблення складу покриття базувалося на компромісі між створенням умов, що мінімізують інтенсивність налипання важко відокремлюваних бризок, і впливом на зварювально-технологічні показники при додержанні умови, що експлуатаційні характеристики адитивно складаються з властивостей його інгредієнтів. Методичною і теоретичною базою дослідження були обрані основні положення теорії зварювальних процесів і теплопровідності, методи теорії планованого експерименту і математичної статистики. Використання основних положень фундаментальних наук стосовно галузі дугового зварювання відкритою дугою по захисних покриттях дозволяє продовжити побудову її наукової системи і забезпечити подальше удосконалення технологічних процесів з метою підвищення якості, надійності і довговічності зварних металоконструкцій. Для забезпечення необхідної точності і розширення обсягу одержуваної інформації експериментальні дослідження виконувались на вимірювальних і моделюючих установках (у тому числі спеціально сконструйованих) в лабораторних, а з метою максимального наближення до фізичних об‘єктів – у промислових умовах із застосуванням методу вимірювання термічних, фізико-механічних характеристик, хімічного складу, зварювально-технологічних властивостей. Результати дослідження використано для оцінювання ефективності запропонованих технічних рішень і розроблених практичних рекомендацій.

Розділ 3. Дослідження теплового стану захисного покриття в термічно навантажених ділянках

При виборі складу захисного покриття необхідно оцінити теплове навантаження, що отримують компоненти покриття у найбільш термічно навантажених ділянках, зокрема, поблизу межі сплавлення основного металу зі швом. Розрахунки свідчать, що максимальний ефект підвищення тепло-вкладання у покриття досягається при зростанні розмірів бризок і швидкості теплопередачі.

Враховуючи, що тепло, яке одержує бризка в дуговому проміжку, набагато перевищує тепло, яке одержує бризка від розігрітої поверхні металу, запропоновано математичний опис теплової поведінки електродної бризки розплавленого металу після викиду з дугового проміжку, який дозволяє оцінити ступінь її охолодження в інтервалі температур навколишнього середовища і враховує питому поверхню бризки, її масу, теплофізичні властивості, відстань до ураженої поверхні. Розрахунки свідчать, що при малих значеннях критерію Фур’є температура в центрі часток майже не змінюється, а змінення температури на поверхні бризки відбувається в широких межах при малих значеннях Fо і великих Bi. Встановлено, що величина розплавленого об‘єму бризок залежить від їх теплофізичних властивостей (коефіцієнту теплопровідності л, питомої теплоємності с, коефіцієнту температуропровідності а), початкової температури Т0 і розмірів, відстані до ураженої поверхні L, швидкості переміщення V0 і є важливою характеристикою їх стану, яка впливає на ймовірність приварювання до поверхні зварюваної металоконструкції. Якщо обсяг розплавленого металу бризки становить менше 85-90%, то кількість теплоти, що віддається часткою основному металу, не достатня для її приварювання і зціплення з поверхнею відбувається за рахунок фізико-хімічної взаємодії.

Із використанням формули розподілу температури граничного стану при нагріванні напівнескінченного тіла стаціонарним нормально-коловим джерелом одержано рівняння для розрахунку розподілу температури, яке дозволяє оцінити область нагріву основного металу від термічного впливу бризок і визначити можливості зниження шкідливого впливу зміни фізико-механічних

характеристик у зонах контакту бризки з основним металом. Теоретично доведено і експериментально підтверджено (рис. 1), що ця область нагріву розташована безпосередньо на зовнішній поверхні виробу та обмежена за глибиною матеріалу шарами, що розташовані нижче.

Дослідження механізму і кінетики процесів, що призводять до приварювання бризок до поверхні зварюваного металу, показали, що ймовірність проникнення електродної бризки до поверхні основного металу зростає при механічному очищенні кромок зварюваних деталей за умови, що товщина твердої оболонки (оксидної плівки, шару шлаку) на поверхні краплі порівняна з величиною виступу нерівності (рис. 2).

Показано, що для визначення температурного поля в захисному покритті необхідно знати розподіл температури в зварному з’єднанні і коефіцієнт зниження температури металу виробу за рахунок тепловіддачі в навколишнє середовище. Це дозволило розрахувати температурне поле у покритті різних з’єднань. Порівняння експериментальних і розрахункових даних показало задовільний рівень адекватності розроблених математичних моделей.

Розділ 4. Підвищення функціональних характеристик захисного шару

Результати дослідження стійкості покриттів до теплового впливу при зварюванні з попереднім підігрівом показали, що при використанні дисперсного середовища на основі рідкого скла термостійкість покриттів стабільно висока (А=11,6-12,8 Дж/мм), не залежить від температури в інтервалі 20-1000оС. Вивчено можливість використання різних органічних, мінеральних і органо-мінеральних домішок як компонентів захисного покриття, що має поліпшений комплекс службових характеристик. При виготовленні захисного покриття велике значення має в’язкість застосовуваного середовища на основі рідкого скла, що змінюється з кількістю та складом технологічних домішок, які мають фізико-хімічний вплив на рідке скло і композиції на його основі (рис. 3).

Показано, що порушення експериментально встановленої вимоги норм витрати захисного покриття (максимально припустимої кількості, що витрачається при нанесенні на виріб, для одержання покриття з потрібними властивостями відповідно до існуючого рівня техніки, технології та організації виробництва), коли визначені склад, товщина і площа покриття, призводить або до порушення цілісності покриття, або до порушення стабільності процесу зварювання.

Для визначення впливу захисного покриття на інтенсивність розбризкування електродного металу було розроблено наступну методику. Експериментальні захисні покриття (різного складу і товщини) наносили на поверхню металевої пластини у виді поперечних смуг шириною 45-50 мм і з такою ж відстанню між двома сусідніми смугами. На зварювальний пальник встановлювались ізольовані від нього мідні вимірювальні індикатори. Індикатори розташовувались симетрично обабіч пальника. На індикатори І1, І2 через резистори R (R1, R2) подавалась напруга живлення Uж (рис. 4). Заряди від бризок, що потрапляють на індикатори, перетворювались в електричному ланцюгу на електричні сигнали. Для визначення параметрів цих сигналів вони подавалися на електронний осцилограф Р (рис. 4а). Встановлено, що сигнали від бризок мають амплітуду від 10 до 100 мВ і тривалість від 0,05 до 5 мс. Аналіз впливу захисного покриття на стабільність процесу зварювання виконувався з використанням схеми відліку кількості бризок (рис. 4б). Сигнали від бризок, що фіксувалися резисторами R1 і R2, посилюються підсилювачами DA1 і DA2 і подаються на компаратори DA3 і DA4. Відлік кількості бризок здійснюється за сигналом від датчика SQ1. При цьому на входи 2 елементів DD1, DD2 потрапляють дозволяючі сигнали та імпульси, які потрапляють від бризок на входи 1, проходять на виходи і поступають на лічильники імпульсів DD3 і DD4. Кількість імпульсів через дешифратори DD5 і DD6 відображається на цифрових індикаторах Р1 і Р2.

Для реєстрації, збереження і передавання на ПЕОМ виміряних параметрів та подальшого відтворення необхідного потоку даних було розроблено мікроконтролерну систему моніторингу стабільності дугового процесу. Вона передбачає використання мікроконтролера LPC 2124 архітектури ARM7, оснащеного швидкодіючим аналого-цифровим перетворювачем АЦП з часом вимірювання 2,44 мкс. Це дозволяє виконувати операції з цифрового оброблення одержаного сигналу в реальному режимі часу, у тому числі інтегральний підрахунок імпульсів, ранжованих за амплітудою.

Вплив захисного покриття на розбризкування оцінювали за коефіцієнтом К:

К=УС1/УС2 ,

де С1 і С2 – кількість бризок при зварюванні, відповідно, по незахищеній поверхні та по досліджуваному складу.

Встановлено, що при К>1 (УС1?УС2) склад покриття оптимальний за цим показником. При К<0,83 необхідно виконувати корегування або складу захисного покриття, або режиму зварювання. Показано позитивний вплив домішок мінералізатора в кількості15-17 мас. % і підмильного лугу у кількості 16-18 мас. % на горіння дуги, що пов’язано з посиленням об’ємної іонізації у стовпчику дуги та, як наслідок, із підвищенням електропровідності дугового проміжку. Мінералізатор є відходом виробництва та являє собою комплекс одно- і двовалентних солей калію, натрію, магнію і кальцію наступного хімічного складу: К+ = 35,3; Na+ = 8,16; Mg2+ = 1,70; Ca2+ = 0,51; Cl - = 48,82; OH = 2,60. Підмильний луг є відходом виробництва, який має такий склад, мас. %: натрієві солі жирних і смоляних кислот 0,6 – 0,9; NaCl 11 – 12; Na2CO3 0,4 – 0,6; NaOH 1,1 – 1,3; H2O – решта. Їх використання разом із AlF3 у кількості 2,5-3,0 мас. % позитивно відбивається на зниженні інтенсивності розбризкування електродного металу: К = 0,86 – 0,97 при товщині покриття 25 мкм. Із використанням методу планування експерименту складено рецептуру захисного покриття при зварюванні з попереднім підігрівом, яка враховує оптимальні загальні властивості покриття як дисперсної системи (седиментаційна стійкість, хімічний склад наповнювача, щільність і в’язкість покриття); технологічні – що визначають придатність захисних покриттів для нанесення на поверхню і надання цій поверхні потрібних властивостей (криюча здатність, тривалість висихання, спосіб сушіння, адгезія до основного металу, міцність на витирання, міцність зціплення з металевою поверхнею) та експлуатаційні – властивості покриттів, які проявляються під час виконання зварювальних робіт і мають безпосередній вплив на зварювально-технологічні характеристики (термічну стійкість, теплопровідність, змочуваність, газотворення, міцність зціплення з поверхнею за високих температур, дефекти металу шва, механічні властивості і склад металу шва, ефективність захисту), мас. %: підмильний луг 16-18; мінералізатор 15-17; марганцевокислий калій KMnO4 0,03-0,04; алюміній фтористий AlF3 2,5-3,0; оксид цирконію AlF3 2,5-3,0; водяний розчин рідкого скла щільністю 1350-1450 кг/м3 – решта. Теплофізичні властивості захисного покриття (після термообробки): с =2616 кг/м3; л = 0,24218 Вт/(м ?К); а = 553•10-4 м2/с. Впровадження цього складу покриття сприяє вирішенню екологічних проблем за рахунок залучення до промислового обороту нових сировинних джерел, які у вигляді виробничих відходів забруднюють довкілля.

Розділ 5. Розроблення технологічних рекомендацій щодо зварювання відкритою дугою по захисному покриттю

Розроблено фізико-математичну модель формоутворення шва і одержано експериментальні залежності, які дозволяють виконувати розрахунок і на основі розробленого алгоритму вирішувати задачу оптимізації параметрів режиму автоматичного і механізованого зварювання відкритою дугою в функції товщини захисного шару покриття при обмежуючих даних розрахунку: ряду діаметрів електроду, діапазону швидкостей зварювання, величини вильоту електроду, величини кроків розрахунку за струмом і вильотом, необхідній точності розрахунку площі проплавлення. Встановлено, що при зростанні кількості захисного покриття в шві і зниженні теплової потужності дуги припустимі швидкості зварювання знижуються. Результати механічних випробувань показують, що при зварюванні на рекомендованих режимах і при номінальній товщині покриття, механічні властивості металу шва задовольняють вимогам, що висуваються до механічних властивостей зварних з’єднань металоконструкцій.

В умовах масового виробництва, коли регулярний контроль товщини шару, що наноситься, є проблематичним, а зниження швидкості зварювання зменшує продуктивність процесу, доцільно попередньо наносити на зварювальні кромки підшар (підкладку покриття), що має тимчасову міцність. Питання регулювання міцності у цьому випадку вирішується шляхом зменшення сил адгезії захисного покриття, нанесеного на підшар при температурі попереднього підігріву виробу перед зварюванням. Це забезпечує спрямоване, одночасне та швидке очищення металу кромок від компонентів покриття, що мають негативний вплив на зварювально-технологічні властивості, формування металу шва при збереженні високих захисних властивостей на ділянках основного металу, що захищаються. Наявність підшару забезпечує мінімальну міцність зціплення захисного покриття зі зварюваними кромками в умовах їх попереднього підігріву перед зварюванням.

Для складання гігієнічної характеристики технологічного процесу зварювання по захисному покриттю вивчено повітряне середовище в робочій зоні для визначення забруднення її пилом і шкідливими речовинами. Спостерігались також метеорологічні умови. Проби повітря брали в зоні дихання зварювальника. Дослідження показали, що вміст шкідливих речовин у повітрі робочої зони при зварюванні по розробленому захисному покриттю не перевищує гранично припустимих концентрацій.

За наявності на поверхні металу захисного покриття застосування безпосереднього збудження дуги у міжелектродному проміжку, що скорочується, є ефективним і економічно доцільним, оскільки дозволяє скоротити час установлення дугового процесу до 0,02-0,03 с і підвищити якість початкової ділянки зварного шва. Використовували спосіб початкового збудження дуги, що заснований на пробої дугового проміжку високовольтним високочастотним іскровим розрядом за допомогою осцилятора або електродного блоку збудження дуги. Використовували блок підпалу дуги УПД-1. Дослідження довели відсутність кратерів, структур закалювання, мікротріщин, які є осередками руйнування. Збудження дуги можливе починаючи з певних мінімальних напруг при мінімальній товщині захисного шару (рис.5) та наявності в якості інгредієнтів покриття електропровідних та іонізуючих компонентів, що створюють умови гарантованого переростання іскрового розряду в дуговий.

Оскільки статистичний час запізнювання розряду становить приблизно 10-6 – 10-7с, то при робочих швидкостях подачі електрода забезпечується збудження дуги без короткого замикання. Виробничі випробування показали доцільність застосування в цьому випадку апаратів із програмованою швидкістю подачі електродного дроту.

Розроблено програмно-методичний комплекс математичних моделей та алгоритмів прийняття рішень при багатокритеріальній оптимізації технологічних параметрів процесу зварювання по захисному покриттю виробів з попереднім підігрівом, що забезпечує мінімізацію ймовірності виникнення дефектів на основі комбінації комп’ютерного імітування процесу зі стохастичними методами оцінювання ймовірності одержання з’єднань із заданими показниками якості і дозволяє оперативно знижувати вплив виробничо-технологічних чинників на можливість утворення зварювальних дефектів шляхом коригування процесу з урахуванням вимог щодо надійності устаткування і раціональності дій персоналу. Оцінка за результатами тестування в промислових і лабораторних умовах показала його високу ступінь достовірності. Він дозволяє одержувати алгоритми для автоматичного керування зварюванням, оскільки визначає зміну параметрів дуги (струму, напруги, швидкості зварювання), обумовлену змінами технологічних чинників (товщиною захисного покриття). Його впровадження на машинобудівних підприємствах дозволило розробити технологічні рекомендації для зварювання по захисним покриттям. Використання комплексу в навчальному процесі показало, що його доцільно застосовувати як у науковій роботі студентів і аспірантів, так і для дистанційного навчання студентів при розв’язанні реальних задач дугового зварювання виробів при комп’ютерному імітуванні формування шва на стадії проектування технології зварювання відкритою дугою.

Результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень у вигляді програмних засобів, нових технічних рішень і технологічних рекомендацій використані в промислових умовах АТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча” (м. Маріуполь), АТ “Дружківський машинобудівний завод” (м. Дружківка), АТ “Завод “Дніпропрес”” (м. Дніпропетровськ), в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування УкрНДІМеталургМаш, що дозволило одержати реальний економічний ефект понад 160 тис. грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації виконано нові науково обґрунтовані розробки в галузі технології процесу зварювання, що забезпечують вирішення важливої науково-технічної проблеми – зниження набризкування і трудомісткості при зварюванні плавленням відкритою дугою (у середовищі вуглекислого газу, ручному дуговому зварюванні, зварюванні порошковим дротом), підвищення продуктивності процесу, якості зварного з’єднання і терміну його експлуатації, забезпечення економії матеріальних ресурсів на основі розроблення технологічних рекомендацій.

2. Запропоновано і реалізовано на практиці удосконалену методику точного оперативного аналізу впливу стану зварюваних кромок на стабільність процесу зварювання і мікроконтролерну систему моніторингу стабільності дугового процесу, що передбачає реєстрацію, збереження та передавання на комп’ютер виміряної інформації з подальшим відтворенням необхідного потоку даних, одержуваних під час зварювання. Їх застосування дозволяє раціонально проектувати склади захисних покриттів і корегувати режими зварювання по них у більш вузькій зоні пошуку для забезпечення оптимальних зварювально-технологічних характеристик і якості металу шва.

3. Результати дослідження стійкості покриттів до теплового впливу при зварюванні з попереднім підігрівом показали, що при використанні рідкоскляного дисперсійного середовища термостійкість покриттів стабільно висока (А = 11,6-12,8 Дж/мм), яка не залежить від температури в інтервалі 20-1000°С.

4. Із використанням методу планування експерименту розроблений склад захисного покриття для зварювання виробів з їх попереднім підігрівом, масс.%: підмильний луг 16-18; мінералізатор 15-17; марганцевокислий калій KMnO4 0,03-0,04; алюміній фтористий AlF3 2,5-3,0; оксид цирконію ZrO2 18-20; водяний розчин рідкого скла щільністю 1350-1450 кг/м3 – решта, яка має такі теплофізичні властивості (після термообробки): с =2616 кг/м3; л = 0,24218 Вт/(м ?К); а = 553•10-4 м2/с. Його використання у виробничих умовах забезпечує захист основного металу, не впливаючи негативно на зварювально-технологічні характеристики та якість металу шва.

5. Вперше установлено, що для забезпечення потрібної якості зварного з’єднання необхідно при зростанні кількості покриття понад 2,0-2,5% площі поперечного переріза шва і зниженні теплової потужності дуги знижувати припустимі швидкості зварювання відповідно до запропонованої залежності режиму зварювання в функції товщини захисного шару.

6. Експериментально встановлено, що, за умов наявності на поверхні металу захисного покриття, застосування безпосереднього збудження дуги у міжелектродному проміжку, що скорочується, є ефективним та економічно доцільним у разі введення до складу покриття компонентів, які легко іонізуються, у кількості не менше 15%. Це дозволяє скоротити час установлення дугового процесу до 0,02-0,03с і підвищити якість початкової ділянки зварного шва (відсутність кратерів, структур закалювання, мікротріщин, що виступають осередками руйнування).

7. Дослідженнями залежності рівня концентрації пилу і токсичних речовин від режимів зварювання у вуглекислому газі, ручного дугового зварювання по захисному покриттю встановлено види шкідливих виділень, кількість яких не перевищує регламентованих гранично припустимих концентрацій.

8. Вперше розроблено програмно-методичний комплекс математичних моделей та алгоритмів прийняття рішень при багатокритеріальній оптимізації технологічних параметрів процесу зварювання по захисному покриттю виробів з попереднім підігрівом, який забезпечує мінімізацію ймовірності виникнення дефектів на основі комбінації комп’ютерної імітації процесу зі статистичними методами оцінки ймовірності одержання з’єднань із заданими показниками якості. Його використання дозволяє оперативно знижувати вплив виробничо-технологічних чинників на можливість утворення зварювальних дефектів шляхом коригування процесу з урахуванням вимог щодо надійності устаткування і раціональності дій персоналу.

9. Виконані наукові дослідження і запропоновані на їх основі практичні рішення підтверджено в умовах дослідно-промислової перевірки та експлуатаційних іспитів в АТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча” (м. Маріуполь), АТ “Дружківський машинобудівний завод” (м. Дружківка), АТ “Завод “Дніпропрес” (м. Дніпропетровськ), в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування УкрНДІМеталургМаш і впроваджено з економічним ефектом понад 160 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чигарев В.В. Влияние защитных покрытий на параметры режима сварки в углекислом газе / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина // Зб. наук. праць Кіровоградського державного технічного університету.–Кіровоград: КДТУ.–2003.– С.134-140.

Особистий внесок здобувача: запропоновано кількісну залежність між режимом зварювання і кількістю захисного покриття в металі шва.

2. Чигарев В.В. Повышение работоспособности прокатного оборудования / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина // Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. праць – Маріуполь, 2003.– Вип. 7.– С.22-27.

Особистий внесок здобувача: досліджено нагрівання захисного покриття на термічно навантажених ділянках поблизу межі сплавлення основного металу зі швом.

3. Чигарев В.В. Влияние защитных покрытий на режим сварки / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина // Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб. наук. праць. – Маріуполь. – 2003.– № .– С.202-205.

Особистий внесок здобувача: оптимізовано режим зварювання кутових швів по захисному покриттю, досліджено механічні властивості швів.

4. Малыгина С.В. Совершенствование технологии сварки деталей энергетических установок с использованием защитных покрытий // Вісник двигунобудування.–2004.– №3.– С.64-68.

5. Чигарев В.В. Особенности формирования шва при сварке по защитным покрытиям / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина, П.А. Гавриш // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства ім. П.Василенка. – Харків: ХНТУСГ. – 2005. - Вип. 40.–– С.143-149.

Особистий внесок здобувача: досліджено закономірності формоутворення шва при зварюванні по захисним покриттям у середовищі активних газів.

6. Малыгина С.В. Защита технологического оборудования и свариваемых изделий в условиях массового производства / С.В. Малыгина, В.К. Лысак // Захист металургійних машин від поломок.– Маріуполь, 2005.– Вип. 8.– С.198-201.

Особистий внесок здобувача: модернізовано установку для автоматичного збирання і зварювання роликів, розроблено блок-схему алгоритму керування установкою.

7. Малыгина С.В. Оценка эффективности покрытий с учетом современных требований к производственным технологиям / С.В. Малыгина, В.К. Лысак // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії: Зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА, 2006.– №2.– С.41-46.

Особистий внесок здобувача: розроблено методику точного оперативного аналізу впливу стану зварюваних кромок на стабільність процесу зварювання, вивчено вплив захисного покриття на утворення холодних тріщин при зварюванні високоміцних сталей.

8. Кассов В.Д. Разработка микроконтроллерной системы мониторинга стабильности процесса ремонтной сварки дефектов литья / В.Д. Кассов, С.В. Малыгина // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. : Зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА, 2006.– №3.– С.149-153.

Особистий внесок здобувача: розроблено варіант вимірювальної системи визначення стабільності процесу зварювання, розроблено математичну модель розподілу температури в зоні контакту бризки із основним металом.

9. Малыгина С.В. Повышение надежности сварных конструкций в станкостроении// Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА, 2006.– Вип. 20.– С.147-153.

10. Малыгина С.В. Разработка покрытий для защиты поверхности от налипания брызг расплавленного металла // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов: IV Международная научно-техническая конференция, посвященная 75-летию Национального научного центра “Харьковский физико-технический институт”, 19-23 мая 2003г. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. – Т.1. – С. 175-177.

11. Чигарев В.В. Влияние защитных покрытий на образование холодных трещин при сварке высокопрочных сталей / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: IX Міжнародна науково-технічна конференція, 23-26 вересня 2003р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 51-53.

Особистий внесок здобувача: визначено вплив складу покриття та його товщини на якість зварного шва.

12. Малыгина С.В. Комплексная оценка свойств защитных покрытий // Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства: Международная научно-техническая конференция, 28-31 октября 2003г. – Николаев: УГМТУ, 2003. – С. .

13. Чигарев В.В. Оптимизация режимов сварки металлоконструкций с защитным покрытием / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина // МАТИ – Сварка XXI века. Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве: Всероссийская научно-техническая конференция, 20-21 ноября 2003г. – М.: МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003. – С. 226.

Особистий внесок здобувача: розроблено алгоритм розрахунку режиму зварювання.

14. Малыгина С.В. Совершенствование технологии сварки изделий с использованием защитных покрытий // Проблемы механики горнометаллургического комплекса: VI Международная научно-техническая конференция, 25-28 мая 2004г. – Днепропетровск: НГУ, 2004. – С. 80-81.

15. Малыгина С.В. Снижение трудоемкости изготовления металлообрабатывающего оборудования // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: ІІ Міжнародна науково-технічна конференція, 1-3 червня 2004р. – Краматорськ: ДДМА, 2004. – С. 85.

16. Малыгина С.В. Влияние защитных покрытий на усталостную прочность сварных металлоконструкций // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов: VI Международная научно-техническая конференция, 16-20 мая 2005г. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005. – Т.1. – С. 16-18.

17. Малыгина С.В. Моделирование температурного поля защитного покрытия // Зварювання та суміжні технології: III Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів, 25-27 травня 2005р. – К: ІЕЗ ім. Є.О.Патона.– 2005. – С.96.

18. Чигарев В.В. Улучшение физико-химических характеристик связующих защитных покрытий / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: IV Міжнародна науково-технічна конференція, 5-8 червня 2006р. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 100.

Особистий внесок здобувача: досліджено вплив інгредієнтів на в’язкість захисного покриття.

19. Чигарев В.В. Обоснование выбора способа нанесения защитных покрытий от налипания брызг электродного металла / В.В. Чигарев, С.В. Малыгина // Современные проблемы сварки и родственных технологий: II Международная научно-методическая конференция, 11-14 сентября 2006г. – Мариуполь: ПГТУ, 2006. – С. 89.

Особистий внесок здобувача: розроблено спосіб нанесення захисного покриття.

20. Патент 8107 Україна, МПК В23К 35/36. Склад покриття для захисту поверхні від налипання бризок розплавленого металу / В.В. Чигарьов, С.В. Малигіна (Україна). – №200500500; Заявл. 19.01.05; Опубл. 15.07.05; Бюл. №7. – 2с.

Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних робіт, участь у розробленні формули винаходу.

21. Патент 23766 Україна, МПК В23К 35/02. Спосіб оцінки стійкості електричної зварювальної дуги / С.В. Малигіна, В.К. Лисак, Є.І. Донченко. – № 200613934; Заявл. 27.12.06; Опубл. 11.06.07; Бюл. №8. – 2с.

Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних робіт, участь у розробленні формули винаходу.

АННОТАЦИЯ

Малыгина С.В. Разработка покрытия для защиты металлоконструкций от расплавленных электродных брызг при сварке с предварительным подогревом изделий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – “Сварка и родственные процессы и технологии” – Приазовский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Мариуполь, 2007.

В диссертации решена научно-техническая проблема повышения технико-экономических характеристик процесса сварки открытой дугой на основе разработки практических рекомендаций по совершенствованию состава защитного покрытия и технологии сварки. Разработана методика анализа влияния состояния свариваемых кромок на стабильность процесса сварки и микроконтроллерная система мониторинга стабильности дугового процесса, предусматривающая регистрацию, хранение и передачу на компьютер измеренной информации с последующим воспроизведением необходимого потока данных, получаемых при сварке. Их применение позволяет рационально проектировать составы защитных покрытий и корректировать режимы сварки по ним в более узкой зоне поиска для обеспечения оптимальных сварочно-технологических характеристик и качества металла шва. Используя метод планирования эксперимента, разработан состав защитного покрытия для сварки изделий с их предварительным подогревом: масс.%: подмыльный щелок 16-18; минерализатор 15-17; марганцевокислый калий KMnO4 0,03-0,04; алюминий фтористый AlF3 2,5-3,0; оксид циркония ZrO2 18-20; водный раствор жидкого стекла плотностью 1350-1450 кг/м3 – остальное, который обладает следующими теплофизическими свойствами (после термообработки): с 2616 кг/м3; л = 0,24218 Вт/(м ?К); а = 553•10-4 м2/с. Его использование в производственных условиях обеспечивает защиту основного металла, не оказывая отрицательного влияния на сварочно-технологические характеристики и качество металла шва.

Предложенные физико-математическая модель формообразования шва и экспериментальные зависимости позволяют выполнять расчет и на основе разработанного алгоритма решать задачу оптимизации