автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение средств снижения набрызгивания при сварке в углекислом газе

Томский политехнический университет Филиал в г. Юрга

На правах рукописи

ТОМАС КОНСТАНТИН ИОСИПОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ НАБРЫЗГИВАНИЯ ПРИ СВАРКЕ В УГ ЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ

Специальность 05.03.06 - технология и машины сварочного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Федько В.Т.

Юрга 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

Глава 1. Сварка в углекислом газе, ее преимущества и недостатки......................8

1.1. Сварка в углекислом газе, основные направления развития, преимущества и недостатки..............................................................................................................8

1.2. Пути снижения набрызгивания......................................................................13

1.3. Характеристика применяемых защитных покрытий...................................19

1.4. Цель и задачи исследования...........................................................................29

Глава 2. Исследование сцепления брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемых изделий......................................................................30

2.1. Общие свойства поверхности свариваемого металла.................................30

2.2. Физико-химические закономерности распространения капли (брызги) расплавленного металла по поверхности свариваемого изделия при сварке в С02 ...........................................................................................................................35

2.3. Механизм сцепления капель (брызг) с поверхностью свариваемого

металла....................................................................................................................43

Выводы....................................................................................................................55

Глава 3. Исследование технологических свойств покрытий, применяемых для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе и их реологические характеристики....................56

3.1. Определение реологических свойств покрытий для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного металла.................................56

3.2. Адгезионная прочность защитных покрытий..............................................70

3.3. Смачивание защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий ..................................................................................................................................72

3.4. Влияние термостойкости покрытий на эффективность защиты поверхности свариваемых изделий от капель (брызг) расплавленного металла ..................................................................................................................................93

3.5. Способность защитных покрытий к нанесению Выводы..........................................................................

101 104

Глава 4. Влияние защитных покрытий на электрические, технологические и санитарно-гигиенические характеристики процесса сварки..............................106

4.1. Влияние защитных покрытий на стабильность процесса сварки и перенос электродного металла..........................................................................................106

4.2. Исследование влияния защитных покрытий на потери металла на угар и разбрызгивание.....................................................................................................111

4.3. Исследование санитарно-гигиенических характеристик покрытий, применяемых для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг

расплавленного металла при сварке в углекислом газе...................................117

Выводы..................................................................................................................125

Глава 5. Практическая ценность и реализация результатов исследований......126

5.1. Разработка нового состава защитного покрытия и исследование его свойств...................................................................................................................126

5.2. Методика определения толщины покрытия для защиты поверхности сварного изделия от капель (брызг) расплавленного металла........................127

5.3. Методика нормирования расхода покрытий для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного металла...............................137

5.4. Технология приготовления и применения защитных покрытий.............142

5.5. Эффективность применения покрытий для защиты поверхностей от брызг

при сварке в СОг...................................................................................................147

Выводы..................................................................................................................149

Основные результаты и выводы............................................................................151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Сварка в углекислом газе — высокопроизводительный способ, однако, как известно, имеет существенный недостаток — повышенное разбрызгивание металла и связанное с ним набрызгивание поверхности свариваемых деталей, сборочно-сварочных приспособлений и деталей сварочной аппаратуры. Набрызгивание изделий, деталей сварочной аппаратуры и сборочно-сварочных приспособлений при сварке в углекислом газе увеличивает трудоемкость операции очистки их поверхностей от брызг расплавленного металла, расход виброинструмента и энергии, что повышает себестоимость изготовления сварных конструкций.

Забрызгивание газоподводящего сопла горелки ухудшает защиту зоны сварки и приводит к образованию пор в металле шва, оно также вызывает дополнительный нагрев деталей сварочной горелки, это приводит к выходу из строя сопел, изоляционных втулок и токоподводящих мундштуков.

Кроме того, анализ заболеваемости виброболезнью рабочих, занятых на операции очистки поверхностей от брызг расплавленного металла, показывает, что предрасположенность появляется через 7...8 лет, а сама болезнь наступает максимум через 10 лет работы.

Для уменьшения набрызгивания в настоящее время используют различные защитные покрытия [89], водяное охлаждение горелок и другие пути. Однако применение многих известных защитных покрытий сдерживается из-за их высокой стоимости и дефицитности, ухудшения санитарно-гигиенических условий труда, отсутствия четких технологических рекомендаций по их использованию и выбору оптимальной толщины слоя покрытия, наносимого на поверхность деталей сварочной аппаратуры и свариваемого изделия.

Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследование защитных покрытий, разработке и внедрении в производство экономически целесообразного и гигиенически допустимого защитного

покрытия. Для достижения этой цели необходимо:

1. Исследовать механизм сцепления капель (брызг) расплавленного металла с поверхностью свариваемых изделий.

2. Исследовать технологические свойства защитных покрытий.

3. Исследовать влияние защитных покрытий на электрические, технологические и санитарно-гигиенические характеристики процесса сварки.

4. Разработать методику нормирования расхода защитных покрытий.

5. Разработать методику определения толщины покрытия.

6. Разработать и внедрить в производство новое защитное покрытие.

7. Определить технико-экономические показатели применения защитных покрытий при сварке в С02 и разработать рекомендации по выбору экономически обоснованного типа защитных покрытий.

Степень новизны работы заключается в следующем:

Теоретически и экспериментально исследовано сцепление брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемых изделий и деталей сварочной аппаратуры.

Показано, что сцепление брызг расплавленного металла с поверхностью происходит только при определенном теплосодержании и окисленности брызг и зависит от состояния поверхности свариваемых изделий и деталей сварочной аппаратуры, при которых появляется достаточно большое количество установившихся физических и химических связей между атомами брызг расплавленного металла и изделия.

Теоретически и экспериментально определена зависимость угла смачивания капли расплавленного металла в зависимости от состояния поверхности свариваемого изделия и режимов сварки.

Исследованы технологические свойства защитных покрытий.

Установлено влияние защитных покрытий на электрические и технологические показатели процесса сварки, технико-экономические и санитарно-гигиенические характеристики. Установлено, что большинство из известных защитных покрытий приводит к увеличению длины дуги и размера

капель на электроде, уменьшению частоты их перехода в шов, увеличению разбрызгивания и газопылевыделения.

Предложены методика нормирования расхода защитных покрытий и методика определения толщины слоя наносимого защитного покрытия.

Автор защищает:

1. Обоснование механизма сцепления брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемых изделий и деталей сварочной аппаратуры.

2. Результаты исследований технологических свойств защитных покрытий.

4. Результаты исследований по единой методике влияния защитных покрытий на электрические, технологические и санитарно-гигиенические характеристики процесса сварки.

5. Методики нормирования расхода защитных покрытий и определения толщины слоя наносимого защитного покрытия.

6. Технологию приготовления и применения защитных покрытий.

Работа состоит из пяти глав.

В первой главе приведен литературный обзор, дана характеристика применяемых защитных покрытий, выбраны методы и методики проведения исследований, поставлены цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию механизма сцепления брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия, исследованию физико-химических закономерностей распространения капли (брызги) по поверхности свариваемого изделия.

В третьей главе исследованы технологические ( адгезионная прочность, смачивание, термостойкость), реологические характеристики защитных покрытий и способность их к нанесению.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния защитных покрытий на электрические, технологические и санитарно-гигиенические характеристики процесса сварки.

В пятой главе описаны методика нормирования расхода защитных покрытий; технология приготовления и применения защитных покрытий; методика определения толщины защитных покрытий, наносимых на поверхность изделия; приводится экономическая эффективность применения защитных покрытий при сварке в углекислом газе; разработка нового состава защитного покрытия и исследование его свойств.

Глава 1. Сварка в углекислом газе, ее преимущества и недостатки

1.1. Сварка в углекислом газе, основные направления развития, преимущества и недостатки

Идея сварки в защитном газе была предложена в конце XIX в.: H.H. Бенардосом. Сварка в инертном газе плавящимся электродом была разработана у нас в стране впервые в НИАТ в конце 40-х годов. В то же время ß ряде организаций (Институт электросварки, ЦНИИТМАШ, МВТУ им. Баумана, МАТИ и др.) проводились поисковые работы по сварке плавящимся электродом в углекислом газе и горючих газах. Но только в 1952 г. К.В. Любавский и Н.М. Новожилов получили положительные результаты по сварке в углекислом газе и разработали металлургические основы этого процесса сварки [31, 59, 60]. В дальнейшем отдельные разновидности сварки в С02 были разработаны в институте электросварки, НИАТ и ряде других организаций [22, 23,30,69,71].

В настоящее время сварка в С02 получила широкое применение на производстве как у нас в стране, так и за рубежом. По объему применения сварка в С02 составляет около 90%, на сварку в аргоне приходится 9%, остальное - на сварку в смесях газов [79]. В России сварка в защитном газе по приведенной трудоемкости среди механизированных способов сварки занимает второе место после контактной сварки.

Сварка в С02 плавящимся электродом осуществляется с использованием плавящегося электрода защитного газа С02, подаваемого в зону дуги. Этот вид сварки является механизированным, ее выполняют полуавтоматами и автоматами. Устойчивое горение дуги обеспечивается при высокой плотности постоянного тока на возрастающей ветви вольтамперной характеристики. Стабильность параметров сварного шва (его глубина и ширина) зависит от постоянства длины дуги, которое обеспечивается процессами

саморегулирования длины дуги за счет поддержания постоянной скорости подачи электродной проволоки, равной скорости плавления [83].

Основной особенностью сварки в СОг плавящимся электродом является необходимость применения электродных проволок с повышенным содержанием элементов-раскислителей кремния и марганца, компенсирующих их выгорание в зоне сварки, предотвращающих дополнительное окисление металла при сварке и образовании пор.

Причины окисления и образования пор при сварке в углекислом газе следующие. При сварке углекислый газ диссоциирует в зоне дуги с образованием атомарного кислорода по реакции:

С02^С0+0, СО^С+О.

Атомарный кислород окисляет железо и легирующие присадки, содержащиеся в стали:

Ре+0-»Ре0.

В результате этого металл сварочной ванны насыщается кислородом, а его свойства ухудшаются [83]. При охлаждении расплавленного металла углерод, содержащийся в стали, окисляясь, будет способствовать образованию оксида углерода по реакции:

с+о->со,

РеО+С-»СО+Ре.

Образующийся при кристаллизации металла шва СО выделяется в виде пузырьков, часть из которых, не успевая выделиться, задерживается в металле шва, образуя поры [83].

В том же случае, если металл сварочной проволоки легирован Бг и Мп, окислы железа раскисляются не за счет углерода, а в основном за счет 81 и Мп из сварочной проволоки, таким образом предотвращаются образование окиси углерода при кристаллизации и образование пор. Раскисление окислов железа идет по реакции:

2РеО+81—>8Ю2+2Ре,

РеО+Мп-^-МпО+Ре.

Окислы кремния и марганца в виде шлака скапливаются на поверхности сварочной ванны [83].

Установлено, что, как и всякий другой процесс, сварка в С02 проволокой диаметром 0,8-2мм имеет свои рациональные области применения. Главнейшим из них являются:

1) сварка обычных углеродистых, легированных конструкционных и обычных нержавеющих сталей толщиной 0,8-4,0мм во всех положениях, от 4мм и выше в вертикальном горизонтальном и потолочном положениях со швами любой формы и любой длины;

2) сварка небольших деталей массового и серийного производства;

3) сварка неповоротных стыков диаметром от 10 мм и до нескольких метров с толщиной стенки 1-12мм в монтажных условиях;

4) сварка поворотных круговых швов труб и других изделий при необходимости получения полного провара с формированием обратного шва;

5) наплавка изношенных поверхностей деталей малых размеров и малых диаметров;

6) выполнение прихваточных швов, сварка электрозаклепками и точками;

7) сварка разнородных сталей и чугуна;

8) заварка трещин и других дефектов малых размеров на стальных и чугунных деталях [79].

На основании литературных данных можно определить следующие общие направления развития сварки в защитных газах в отечественной и зарубежной науке и промышленности:

а) разработку и внедрение легких портативных установок для сварки в С02, обеспечивающих возможность дистанционной регулировки режима сварки;

б) разработку и применение универсальных источников питания без вращающихся частей — сварочных выпрямителей. Значительное уменьшение выпуска преобразователей (мотор-генераторов);

в) стремление к увеличению режимов сварки и диаметра применяемой проволоки;

г) широкое применение сварки в смеси газов: 80% С02 + до 20% 02; 90% С02 + до 10% Аг; С02 + Аг + 02;

д) разработку и внедрение многопостовых источников питания для сварки в С02.

Наряду с широко выпускаемым обычным, простым по конструкции оборудованием для электродуговой сварки проявляется тенденция к расширению использования электроники, тиристорных источников питания, схем программного управления.

На основе анализа опыта применения сварки в С02 были следующим образом сформулированы основные преимущества этого способа, которые и обусловили столь широкое его применение [79]:

1) высокая концентрация энергии дуги и большая, чем при ручной дуговой сварке, проплавляющая способность дуги при сварке в С02; это обеспечивает меньший разогрев кромок, большие скорости сварки и более высокую экономичность процесса;

2) возможность вести механизированную сварку проволокой диаметром 0,8... 1,4 мм во всех пространственных положениях и проволокой диаметром 1,6.. .2,0 мм в нижнем положении;

3) высокая производительность (присущая большинству из известных механизированных способов сварки);

4) высокие механические свойства сварных соединений;

5) высокая стабильность процесса сварки в С02 в широком диапазоне режимов (от малых до больших токов);

6) стойкость против образования пор и трещин, которая обусловлена окислительной атмосферой в зоне сварки;

7) возможность видеть зону сварки и высокая маневренность процесса, обеспечивающие выполнение точечных швов, коротких и длинных швов любой конфигурации в различных пространственных положениях;

8) производительность при сварке тонкого металла по зазорам и "на весу", а также вертикальных и потолочных швов более высокая, чем при ручной дуговой сварке;

9) возможность выполнения швов, расположенных вблизи края конст