автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Формирование корня шва при односторонней сварке стыковых соединений с помощью медных подкладок

л ч

Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"

На правах рукописи

Чав Туая Ань Граждаиия Вьеоаана

УДК 621.791.754.042

«ОРШРОВАНМЕ КОРНЯ ИВА ПРИ ОДНОСТОРОННЕЙ СВАРКЕ СТЫКОВЫХ 00ЕДИ-нкй с помшда МЕДНЫХ ПОДКХАДОК

05.03.06 -технология и оборудования для сварки и родственных процессов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1996

Диссертация является рукописью. Работа выполнена в Восточноукраииском государственном университете .

Научный руководитель: канд. техн. наук Гедрович А.И.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук

Кузнецов В.Д. канд. техн. наук Куденцрв И.А.

Ведущая организация: Государственная холдинговая компания "Луганскгепловоз" г. Луганск.

лс </5со

Защита состоится пгЭ " Д.шиилл 1996 г. в часов

на васедании специализированного ученого совета Д 01.02.10 в Национальном техническом университете Украины "Киевский политехнический институт", корпус 23, аудитория 323.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Отзыв на автореферат (1 экземпляр, заверенный печатью) просьба направлять по адресу: 252056, Киев-56, проспект Победы, 37, КПИ-213.

)

Автореферат разослан " и " «¿¿¿у?/?^ 1996 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аклуалыюсжь теш : В странах СНГ и других странах постоянно возрастающий рост производства сварных конструкций выдвигает задачи создания и внедрения в промышленность современных ресурсо- и энергосберегающих технологий, сварочной техники и оснастки, применения высокопроизводительных способов сварки.

В настоящее время широкое распространение получила односторонняя автоматическая сварка под флюсом с формированием корня шва на подкладках. Такой вариант сварки позволяет снизить трудоемкость изготовления сварных металлоконструкций, уменьшить габариты стендов, избежать кантовки изделий, повысить производительность труда. Поэтому большой интерес представляет применение при односторонней сварке медных подкладок - надежных, экономичных, и конструктивно сравнительно простых формирующих устройств, которые используются при изготовлении обечаек, резервуаров различного назначения, котлов, трубопроводов, в судостроении, нефтехимическом машиностроении и других отраслях народного хозяйства, как в странах СНГ, так и во Вьетнаме.

Однако, типов и конструкций подкладок достаточно большое количество, они не всегда обеспечивают формирование корня шва в соответствии с требованиями стандарта на однопроходную одностороннюю сварку, имеют место дефекты в виде натеков металла с обратной стороны сварного соединения. Для устранения этих недостатков при односторонней сварке необходимо изучить особенности формирования стыковых швов при односторонней автоматической сварке, что позволит повысить качество сварных соединений и расширить область применения односторонней автоматической сварки в промышленность. Цель рабопш : Изучение особенностей формирования

стыковых швов при односторонней автоматической сварке под

флюсом на медной подкладке и разработка технологических мероприятий по улучшению качества однопроходных сварных соединений.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие эадачи:

1. Исследовать закономерности изменения параметров режима сварки в зависимости от толщины свариваемых деталей при автоматической односторонней сварке под флюсом с обратным формированием корня шва на медной подкладке.

£. Определить критические размеры зазоров между свариваемыми деталями и подкладкой.

3. Разработать методику определения размеров натеков в корне шва.

4. Провести анализ влияния режимов охлаждения медной подкладки на формирование корня шва.

5. Разработать мероприятия для получения швов при сварке на медной подкладке согласно требованиям стандарта.

Научная иозизва:

Установлено, что натеки металла в Яорне шва возникают из-за затекания перегретого металла жидкой прослойки под дугой в зазоры, направленное движение которого обусловлено влиянием двух основных факторов: скоростного напора и сил поверхностного натяжения. При этом влияние скоростного напора с увеличением толщины жидкой прослойки металла под дугой снижается, а сил поверхностного натяжения с уменьшением ширины зазора между деталями и подкладкой, возрастает (в большей степени проявляется капидярныи эффект). При увеличении толщины свариваемых деталей, толщина жидкой прослойки металла под дугой возрастает более интенсивно, что приводит к снижению скоростного напора, следовательно, к снижению влияния давления дуги на образование натеков . металла в корне шва.'

Показана возможность расчетного определения размеров натеков металла'в корне шва в зависимости от толщины свариваемых деталей и величины зазоров между деталями и подкладкой. В соответствии с проведенными расчетами установлено, что размеры натеков металла в корне шва зависят от времени действия скоростного напора 1Р, которое ограничивается скоростью сварки и размерами активного пятна дуги на изделии и временем кристаллизации металла натека в корне шва которое зависит от величины зазора между деталями и подкладюзй. При сварке тонколистового металла значение времени 1р преобладает над значением времени следовательно, размер натека металла в корне шва полностью зависит от скорости кристаллизации металла в зазоре. При сварке детален толщиной более 6 мм размер натек металла в корне шва образуется полностью под влиянием скоростного напора.

Установлено, что режим охлаждения медной подшадки оказывает существенное влияние на качество формирования корня шва. При большом расходе охлаждающей еоды подкладка находится в переохлажденном состоянии, что вызывает, Ео-первых, конденсацию влаги на формирующей поверхности подкладки из окружающей среды из-за резкого перепада температур и, как следствие из этого, образование отдельных и групп пор в корне шва, и, во-вторых, высокую скорость охлаждения металла сварочной ванны, что приводит в образованию дефектов в виде побитости металла и образование сосков' в корне шва. Режим охлаждения подкладки необходимо связывать с конструктивными особенностями подкладки (местонахождением, количеством и размерами водоохлаждэющих каналов) и режимом сварки, который, в свою очередь, зависит от толщины свариваемых деталей. Ва защипу выносятся следующие основные положения:

1. Результаты исследования механизма образования натеков металла' в корне шва при однопроходной сварке на медной

подкладке.

2. Данные анализа условий равновесия сил, действующих на жидкий металл сварочной ванны.

3. Методика расчета скоростного напора, в зависимости от толщины жидкой прослойки металла под дугой и сил поверхностного натяжения.

4. Методика расчета размеров натеков металла в корне шва в зависимости от толщины свариваемых листов и величины зазоров между листами и подкладкой.

5. Данные расчетов условий охлаждения медной подкладки.

6. Обоснование выбора параметров режима односторонней автоматической сварки под флюсом с обратным формированием корня шва на медных подкладках, обеспечивающих получение качественных сварных соединений.

Пранямесгая цеввосяь:

Обоснован выбор параметров режима односторонней автоматической сварки под флюсом с обратным формированием корня шва на медной подкладке, обеспечивающих получение сварного шва со стандартными геометрическими "Ьазмерами.

Предложена методика расчета размеров натеков металла в корне шва в зависимости от толщины свариваемых листов и величины зазоров между ними и подкладкой, позволяющая прогнозировать образование дефектов и рекомендовать технологические меры их устранения.

Обоснован выбор режима охлаждения медной подкладки,■ позволяющий избежать дефектов в корне шва, обеспечивающего получение шва со стабильными размерами технологического припуска с обратной стороны по длине соединения.

Разработана конструкция медной подкладки, позволяющая формировать корень шва без дефектов при сварке листов с не-соосным расположением, при наличии зазоров между подкладкой и стыком за счет встречной поддувки защитного газа в направ-

• лении, противоположном действию скоростного напора.

Результаты исследований.внедрены в учебный процесс кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" Восточноукраинского государственного университета в курсе "Технология и оборудование электрической сварки плавлением и термической резки".

Апробацря работ :

Отдельные разделы работы докладывались на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Восточноукраинского государственного университета (Луганск 1992, 1994 гг.). Основные положения работы доложены на научном семенаре кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" Восточноукраинского государственного университета (Луганск 1995 г.) и научном семенаре кафедры сварочного производства Киевского политехнического института (Киев 1995 г.).

Публикации : Основное содержание работы отражено в двух публикациях.

Сарутура и объем тссерпации : Диссертация состоит из вступления, четырех разделов, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 195 страниц, в том числе 24 рисунка и 47 таблиц. Список литературы содержит 137 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ' <

В общем объеме формирующих устройств можно выделить три основные группы: расходуемые полностью, расходуемые частично и нерасходуемые подкладки. К первой группе относятся гибкие подкладные ленты и металлические остающиеся подкладки. Ко второй можно отнести флюсовые и флюсо-медные подкладки. К третьей группе относятся медные и керамические подкладки, которые могут использоваться многократно. Очевидно, эти ка-

чества и определили повышенный интерес к этому виду формирующих устройств.

Для установления причин ограниченного применения односторонней сварки на медных подкладках в промышленности проанализированы публикации, посвященные данному вопросу; Анализ показал, что в периоды времени 1969-1973, 1976-1978 и 1980 -1987 гг. этому варианту сварки уделяется большое внимание, но имеют место также спады информационной активности. Из этого следует, что процесс формирования однопроходного шва при автоматической сварке на медных подкладках в настоящее время изучен еще недостаточно.

Статистическая обработка массива публикаций проведенная методом Асковица показала, что в последнее время внимание специалистов к однопроходной автоматической сварке на медных подкладках возрастает.

Анализ структуры публикаций показывает, что предпочтение отдается разработке новых конструкций медных подкладок и ползунов (68 X публикаций от общего объема), а разработке новых технологических процессов всего 36 X.

При разработке новых конструкций формирующих устройств чаще всего (63,8 X) проектируются неподвижные жесткие медные брусья для сварки прямолинейных стыков. В меньшем количестве (37,3 X) применяются подвижные медные ползуны и ролики, потому что их необходимо перемещать и поджимать к стыку.

Статистический анализ массива публикаций показал, что проблема автоматической односторонней сварки с обратным формированием корня шва на медных подкладках является актуальной.

Проведенный анализ конструкций медных подкладок показал, что подкладка в виде гладкого медного бруса применяется при сварке- металла небольшой толщины. Для больших толщин применяют медные подкладки с полукруглыми канавками, для

формирования обратной стороны шяа. Для охлаждения в ней выполняется продольное отверстие, по которому проходит вода.

В литературе' широко представлены подкладки с большим количеством формирующих канавок на всех гранях бруса. Это позволяет эффективно использовать конструкцию подкладки и расширить область ее применения так как на каждой грани бруса форма и размеры формирующих канавок отличаются друг от друга.

Формирующая канавка также имеет различные размеры и форму, что позволяет кроме удержания сварочной ванны, отводить шлак из корня шва, регулировать конвективные потоки в металле сварочной ванны, регулировать всплытие примесей на поверхность пта.

Существуют подкладки, обеспечивающие возможность поддува защитного газа в формирующую канавку. Такая дополнительная защита корня шва предупреждает появление пор.

В основном медная подкладка, кроме формирования корня ива, эффективно отводит избыточное тепло от свариваемого стыка и околошовной зоны. Увеличивают эффективность теплоот-вода путем принудительного охлаждения подкладок водой, проходящей через продольные каналы, выполненные в подкладке. Каналов для прохода охлаждающей жидкости может быть любое количество, но наиболее часто втречаются подкладки с одним каналом, расположенным под формирующей канавкой, или с двумя, расположенными по обе стороны от формирующей канавки.

Креме режима сварки на качество однопроходного шва на медной подкладке влияют: загор в стыке, депланация свариваемых кромок, интенсивность охлаждения медной подкладки, форма и размеры канавки, степень поджатия свариваемых листов к подкладке, наличие зазоров между подкладкой и листами.

При неплотном поджатии свариваемых деталей к подкладке жидкий металл сварочной ванны затекает в образовавшиеся за-

воры, что приводит к образованию натеков.

Иевестно, что основным фактором влияющим на качество сварного шва является режим сварки. К основным параметрам автоматической сварки под флюсом относятся: сварочный ток, диаметр электродной проволоки, напряжение дуги и скорость сварки. В зависимости от принятого режима изменяются геометрические характеристики шва.

Из всех перечисленных факторов только сила сварочного тока и скорость сварки оказывают влияние на Формирование корня шва, хотя на лицевую часть шва влияют род и полярность тока, наклон изделия, вылет электрода, марка флюса, величина газора между соединяемыми элементами. Поэтому эти факторы из дальнейших рассуждений исключены.

Рекомендуемые в литературе параметры режима имеют, чрезвычайно большой разброс значений (например, для толщины металла 7 мм сила сварочного тока колеблется от 330 до 790 А), а поэтому их использование в практических целях затруднено, что объясняется различными условиями проведения экспериментов разными исследователями. Поэтому возникает необходимость их уточнения. <

Экспериментальные исследования, анализ рекомендуемых режимов в литературе, регрессионный анализ позволил получить расчетные зависимости для определения параметров режима односторонней сварки на медной подкладке в зависимости от толщины свариваемых элементов:

1СВ - 70,833 + 70,0056 + 11.00052 - 1,227б3 ид 15,967 + 4,6426 - 0,ЗЭ052 + 0,00963

Уев - 70,200 - 13,1725 + 2Д1962 - 0.18153

Полученные зависимости позволяют достаточно точно определить параметры .режима сварки и удобны для практического использования при сЕарке стыковых соединений типа С4 из конструкционных сталей на медной подкладке.

На основании литературных данных, экспериментов и логических рассуждений процесс образования натеков металла в корне urea представляется следующим образом. Расплавленный металл под действием давления дуги вытесняется из передней части сварочной ванны в хвостовую. В. результате, из-за различия уровня жидкого металла в начале и конце сварочной ванны, появляется гидростатическое давление металла. При сварке под фдоссм существует еще ряд других составляющих, действующих на сварочную ванну:

Рдд + ñrcn " Ргсв + Ргсжш + РСФ + Рпнжл + Рпнв + Рлнм-Ф (1)

где Рдл - давление дуги, Н/м2 ;

Ргсп - гидростатическое давление прослойки жидкого металла под сварочной дугой, Н/м2;

Prca - гидростатическое давление жидкого металла сгароч-ной ванны, Н/м2;

Ргсжф - гидростатическое давление слоя расплавленного флюса, Н/м2;

РСФ - статическое давление слоя нерасплавленного флюса, Н/м2;

Рпнжф - сила поверхностного натяжения слоя расплавленного флюса, Н/м2;

Ршго - сила поверхностного натяжения жидкого металла в верхней части сварочной ванны, Н/м2;

Рпнм-ф- сила поверхностного натяжения на границе жидкий металл сварочной ванны - расплавленный флюс, Н/м2.

Ив этого уравнения определяется толщина жидкой прослойки под сварочной дугой. По толщине прослойки можно оценить количество металла сварочной ванны, расходуемое на образование натеков металла в корне шва и определить его размеры:

Ггсп

г • Ип. (2)

где 1 - плотность свариваемого металла, кг/м3-, В - ускорение свободного падения, м/с2; Ип- толщина прослойки жидкого металла под дугой, м.

Все составляющие для определения толщины прослойки жидкого металла под дугой находятся расчетным путем или экспериментально.

Гидростатическое давление жидкого металла сварочной ванны, гидростатическое давление сил расплавленного флюса, статическое давление слой нерасплавленного флюса, силу поверхностного натяжения слоя расплавленного флюса, силу поверхностного натяжения жидкого металла в верхней части сварочной ванны, силу поверхностного натяжения на границе жидкий металл сварочной ванны - расплавленный флюс, давление столба дуги определяются расчетным путем, согласно существующим представлениям о процессе сварки под флюсом.

Движение расплавленного металла осуществляется под действием скоростного напора, который определяется по выражению:

Ро.н. - ^ (3)

п

где Уср - средняя скорость движения металла жидкой прослойки под дугой, см/с:

УсвН

Уср -

(4)

где Уев " скорость сварки, см/с;

К - глубина проплавления, см;

Ь - толщина металла жидкой прослойки, см.

Скоростной напор перемещает жидкий металл в хвостовую часть сварочной ванны и в другие свободные пространства, в том числе, в зазоры между листами и подкладкой. Установлено, что скоростной напор неравномерен по сечению сварочной ванны:

Рс.н.(х) = Ро • е

-к!х1

(5)

где к - коэффициент сосредоточенности скоростного напора; х - текущая координата, см;

Ро - скоростной напор на оси шва, определяемый по выражению:

Скоростной напор у линии сплавления корня шва с основным металлом определяется:

4

Рсн = Ро • е где в1 - ширина корня шва, см.

ег

(6)

Скорость движения металла прослойки в зазоры определяется выражением:

-1

Упо* » Э1п

/Г о (V /2 Рс„(2/с]д)22яе а /—1 -

- Рг

(7)

Установлено, что скорость движения металла прослойки в

е

вазоры изменяется от режима сварки и величины зазора между деталями и подкладкой. При наиболее часто встречающихся зазорах 0,1 - 1,0 мм скорость затекания металла в аазоры Чпо* довольно высокая и незначительно изменяется от величины зазора.

Время действия скоростного напора ограничено временем прохождения пятна дуги через рассматриваемое сечение и может быть определено через скорость сварки:

¿л

-- (8)

Уев

Размер натека зависит от соотношения времени действия скоростного напора и времени кристаллизации металла в зазоре:

« (г-5-т". (9)

X ■ СГ ■ (Тйв - То)2 ^ где X - коэффициент теплопроводности, Вт/м •

ст - удельная объемная теплоемкость, Дж/ы3 • °С;

Тсв - температура сварочной ванны, °С;

То - начальная температура свариваемого металла, °С;

Я - эффективная тепловая мощность сварочной дуги, Вт;

Уев " скорость сварки, м/с;

б - толщина свариваемого металла, ы.

Расчеты показали, что величина зазора между деталями и подкладкой равном < 0,5 им, время кристаллизации превышает действие скоростного напора. Поэтому величина натека металла в корне шва при малых зазорах определяется скоростью кристаллизации металла независимо от действия скоростного напора. При зазорах > 0,5 мм время остывания металла больше времени скоростного напора и жидкий металла постоянно заполняет вазор.

Начальная температура охлаждающей среды, скорость ее

движения, расположение канала в подкладке влияют на формирование корня шва. .Экспериментально показано, что для конкретной конструкции подкладки, конкретного сварного соединения и режима сварки существует определенный режим охлаждения, обеспечивающий качественное формирование шва. Установлено, что расход воды должен составлять 4-5 л/мин. Остальные параметры подкладки: ее габариты, количество и расположение каналов должны устанавливаться экспериментально так как единую методику расчетного определения этих параметров разработать пока невозможно.

Для обеспечения качественного формирования корня шва разработана конструкция медной подкладки в виде медного бруса прямоугольного сечения с формирующей канавкой на поверхности. По обе стороны от канавки расположены два ряда вертикальных отверстий для выхода защитного газа на формирующую поверхность полкладки. Эти отверстия связаны с продольными каналами, выполненными внутри бруса вдоль его продольной оси и служащими центральными газопроводами. Защитный газ из отверстий может истекать только в формирующую канавку через зазоры между деталями и формирующей поверхностью подкладки, предотвращая образование натеков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что натеки металла в корне шва возникают из-за затекания перегретого жидкого металла жидкой прослойки под дугой, направленное движение в зазоры которого Еызвано действием скоростного напора, величина которого,. в свою очередь, зависит непосредственно от силы давления сварочной дуги. Размер натека металла в корне шва зависит от двух основных факторов: от скоростного^напора, влияние кото-*

рого с увеличением толщины жидкой прослойки металла под дугой снижается, и сил поверхностного натяжения, действие которых с уменьшением ширины зазора между деталями и подкладкой, возрастает. При увеличении толщины свариваемых деталей, толщина жидкой прослойки металла под дугой возрастает более интенсивно, что приводит к снижению влияния скоростного напора и к уменьшению влияния дуги на образование натеков металла в корне шва.

2. Разработана методика-расчета размеров натеков металла в корне шва в зависимости от толщины свариваемых деталей и величины зазоров между деталями и подкладкой. В соответствии с проведенными расчетами установлено, то размеры натеков металла в корне шва зависят от времени действия скоростного напора которое ограничивается скоростью сварки и размерами активного пятна дуги на изделии и временем кристаллизации металла натека в корне шва 1*,, которое зависит от величины зазора между деталями и подкладкой.' При сварке тонколистового металла (до 6 мм) значение времени 1Р преобладает над значением времени следовательно, размер натека металла в корне шва полностью зависит от скорости кристаллизации металла в зазоре. При сварке деталей толщиной более 6 мм размер натек металла в корне шва образуется полностью под влиянием скоростного напора. • Предложенная методика расчета размеров натеков металла в корне шва позволяет прогнозировать. образование дефектов и, следовательно, принять заблаговременно необходимые технологические меры.

3. Установлено, что режим охлаждения медной подкладки оказывает существенное влияние на качество формирования корня корня шва. Режим охлаждения подкладки необходимо связывать с конструктивными особенностями подкладки и режимом сварки. • ■

4. Обоснован выбор параметров режима односторонней

автоматической сварки под флюсом с обратным формированием корня шва на медных подкладках, обеспечивающих получение сварного шва с номинальными геометрическими размерами в соответствии с государственными стандартами.

5. Разработана конструкция медной подкладки, обеспечивающей возможность сварки деталей с искривлениями свариваемых кромок (наличие зазоров между подкладкой и стыком) за счет встречной поддувки защитного газа в направлении, противоположном действию скоростного напора, численное значение которого зависит от давления дуги, которое, в свою очередь зависит от режима сварки, следовательно, от толщины свариваемых деталей.

Основное содержание отражено в следующих публикациях:

1. Калюжный В.В., Чая Туан Лнь. К выбору конструкции подкладки при односторонней сварке // Свароч. производство.-1994.' - № 2. - С. 23 - 25.

2. Расчет натеков металла в корне шва при односторонней автоматической сварке на медных подкладках / Гедрович А.И., Чан Туан Ань. ; Восточноукр. гос. ун-т - Луганск, 1996. - 38 с. ил.: Библиогр. 16 назв. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины № 54 Ук-96.

Личный вклад автора. В [1] выполнена статистическая обработка массива информации и показана актуальность проблемы формирования однопроходных шеов на медных подкладках, [2] разработаны основные положения расчетного метода определения размеров натеков металла в корне шва.

Аннотация

Чан Туан Ань. Повышение качества сварных соединений при односторонней автоматической сварке на медных подкладках, рукопись, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - "Технология и машины для сварки и родственных процессов". Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 1996 г. Экспериментальные и теоретические исследования образования дефектов при односторонней сварке под флюсом. Установлены основные закономерности и разработан расчетный метод определения натеков металла в шве. Предложены конструкторско-технологические рекомендации по повышению качества сварных соединений.

Кятевые слова : односторонняя сварка, формирование шва, медная подкладка, зазор между подкладкой и деталями, столб дуги, натеки металла в шве.

Annotation

Tran Tyan Anh. Rising of quality weld by one-side automatic welding on the cooper backing, . manuscript, present thesis for. a technical science candidate's degree -05.03.06. Technology and machines for welding and kindred processes. The National Techical University of Ukraine "Kiev politechnical institute", Kiev, 1996. Experimental and theoretical researches of formation defectes of one-side by welding under flux. Fundamental appropriates and developed calculation Vnethods for prevented defectes molten metal in the weld. Constructive-technological recommendation for rising the quality welding Joint.

Key words : one-side welding, . formation weld, cooper backing, gap between backing and detailes, arc column, defectes molten metal' in the weld.