автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Плазменная сварка и наплавка с присадочной проволокой толстостенных металлоконструкций

из «я

' . ,1

госудагствшйй комитет российской адцшш по народному образованию

МОСКОВСКИЙ АЗТОШЖЕСТРОИТЕЛЬНШ ИНСТИТУТ (ВГУЗ-ЗМ)

На правах рукописи

Экз.№ _____

УДК 621.791.755 .

5АЯР0В Юрий Владимирович ПЛАЗМЕННАЯ сварка и нашивка. с прйсмжой проволокой

ТОЛСТОСТЕННЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ Специальность 05.03.06 - Технология и наняты сварочного

производства

Автореферат диссертации на оопсяание ученой степени кандидата технических* наук

Москва - 1993

Работа выполнена на каредре "Оборудование и технология сварочного производства" Московского автомобилестроительного института (ВТУЗ-ЗИ1).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Акулов А.И. .

Официальные оппояентн: доктор технических наук, профессор

Черкышов Г.Г.

кандидат технических наук, доцент Копаев Б.В.

Ведущее предприятие - Всесоюзный научно-исследовательский институт монтажного и специального строительства

/ //. Защита состоится " л " и сии л 1993 г. в '[ " часов

на заседании специализированного Совета К 064.02.03 "Технология я оборудование в иатвоатроении" Московского автомобилестроительного института (ВТУЗ-ВШ) до адресу: Москва,К-68, Авгозаводскап улица, дон Л 16, зал заседаний ученого совета.

Ваш отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией модно ознакомиться в научно-технической', библиотеке МАСМ (ВТУЗ-ЗЩ.

Автореферат разослан с< лр .0 л -0_ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

к.т.н., доцент ^•/¿¿г/-'"" С.И.Богомолов

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность работа. Повышение качества, надежности и долговечности оборудования требует создания ко ел и совершенствования известных способов сварки и наплавки. Перспективным в этом направлении представляется использование плазменной технологи. Сжатой дугой можно осуществлять сварку, резку, переплав, напыление, поверхностную обработку, наплавку. Высокая тепловая эффективность плазменной дуги, широкие возможности регулирования нагревом основного и присадочного металла создает условия для получения качественны:* изделий при высокой произ водптйльноотя процессов.

Однако данннй способ до настоящего времени не получил достаточно широкого промышленного применения. Использование сжатой дуги сдерживается недостаточной энергетической усгойчивостьо <>-горения, а также сложностей обеспечения качественного форк-зро-зашш ивов в условиях действующих возмущеюш, особенно при сварке толстостенных металлоконструкций.

Наиболее интенсивно проявляется действие различного рода возмущений при использовании форсированных регагов. Разработка технология плазменной сварки и наплавки, реализуемой в условиях производства, может быть достигнута после исследования блеяния конструктивных особенностей плазмотрона и состава плазмооб-разущей среда на технологические характеристики дуги (интенсивность ее теплового н силового воздействия на металл).

Цель работы. Целью работы являлось совершенствование технологии плазменной сварки и наплавки с присадочной проволокой толстостенных металлоконструкций.

Методы исследования. Тедлофизическиа и технологические характеристики дуги исследовались методами разрезного анода л кадоримзтрирования, измерение температуры плазмы производили спектральным методом, зондирование дуги осущестгяяли присадочной проволокой, электрические параметры реяима регистрировали быстродействующими самопишущим приборами и электронными осциллографами.

Эксперименты дроводались и обрабатывались с использованием теории планирования эксперимента. Расчета радиального распределения электро- н теплофкзкчаских величин шдолнялись с примоаением ЭВМ.

£ работа бшш виподяеш механические испытания, мет алло графический н фазовый химический анализ состава металла шва и наплавленного слоя.

Научная новизна. Установлено, что в условиях газодинамического воздействия на плазму ограничение степени кончрагировашш дуги обеспечивает повышение эффективной мощности без существенного увеличения давления дуги, в результате достигается преимущественно тепловое дродлавлениз изделия и снижается вероятность появления дефектов гидродинамического характера.

Показано, что при использовании молекулярных плазмообразую-лдо: газов вследствие диссоциативной теплопроводности качественно изменяется по сравнению с атомарными распределение плотности тепловой мощности: величина ее радиального градиента возрастает на периферии столба и снижается в центральной зоне. Вследствие этого стабилизируется плавление основного и присадочного металла в условиях действующа возмущения.

Установлено, что при сварке я наплавке на форсированных режимах металлов с низкой теплопроводностью значительное увеличение размеров сварочной ванны требует для снижения насыщения расплава азотом и получения высоких механических свойств металла шва улучшения качества газовой защиты - использования специальных башмаков и шторок.

Установлено, что при сварке толстостенных металлоконструк-' дай. из металлов с высокой теплопроводностью, чтобы исключить предварительный подогрев, приводящий к укрупнению зерна и снижении пластичности металла шва, необходимо обеспечивать высокую степень конграгирования дуги, а плавление присадочной проволоки осуществлять в столбе дуги.

Показано, что высокая производительность, а также широкие возможности дополнительной обработки изделий при использовании аксиально подаваемо»; тсдовадущей присадочной проволоки существенно повышают эффектность технологии сварки и наплавки толстостенных металлоконструкций. Так, локальный сопутствующий нагрев изделия обеспечивает вогнутую внешнюи поверхность валика в узкощелевой разделке и позволяет исключить возникновение-несплавлений при сварке многопроходных ишов.

Практическая ценность заключается в разработке технологических рекомендаций по СЕарке и наплапке:

- аусгенвтшх хроионикелеьых сталей проволокой, легированно*

ниобием, обеспечивающих увеличение удфной вязкости металла шва в 2-5 раз;

- меда и ее сплавов, позволяющие увеличить относительное удлинение металла шва в 2-4 раза.

Сформулированы требования к оборудованию, спроектирован и изготовлен плазмотрон с повышенным ресурсом работы, рассчитанный на токи до 500 А. Разработана микропроцессорная система управления, обеспечивающая стабилизации процесса в условиях действующих возмущений н управляющих воздействий оператора.

Разработанный процесс прошел апробацию в условиях НО "Атоммаш" при изготовлении уплотнителымх поверхностей -такой и лепестков корпуса реактора БН-800.

На защиту выносятся следующие основме положения;

1. Результаты исследования электро- и теплофнэотесяк характеристик плазменной дуги.

2. Результаты исследования технологических особенностей плазменной сварки и наплавки с црисадочной проволокой.

3. Рекомендации по плазменной сварка и наплавке высоколегированных сталей, меди и ее сплавов.

Апробация работа. Результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических семинарах кафедр "Оборудование и технология сварочного производства" МАСИ (1991 г., 1993 г.), "Гибкие автоматизированные системы сварочного производства" Волгодонского филиала НШ (1993 г.).

¡Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей и получено 2 авторских свидетельства на изобрети.

Структура и объем .работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов о работе, списка использованной литературы, приложений. Содержит 30 таблиц, 62 рисунка , 7 прилояений и изложена на<02 страницах машинописного текста. Список использованном литературы включает 13 5" наименований.

ОСНОВНОЕ СЗДЕИШШ РАБОТЫ ■

Во введении обосновывается актуальность проблемы и необходимость изучения плазменной сварки и наплавки толстостенных металлоконструкций, обоснована цель работы, с формулировки научная новизна, практическая ценность, а также осповнне положения, выносимые на защиту.

В первой глазе рассмотрены особенности процессов сварки и • паиевяи плазменной дугой.

При изготовлении толстостенных металлоконструкций максимальную трудоемкость имеют сварочные и наплавочные работы. Исследования Тавера Е.И., Шоршорова МД., Быховского Г.Д., Ямамото Т., Эссерса В.Дд,, Дяелморини Дк., Сварта Дк. и др. показали, что благодаря высоким энергетическим характеристикам, воэ-юзшости независимого управления тепловым и силовым воздействием дуга, на металл наиболее перспективным инструментом для сварки и нааланкк толстостенных металлоконструкций является плазменная дуга. В работах Фролова В.В., Шевченко Э.Н., Костина М.Н., 1ы-ховского Д.Г.» Эсмбява Э.Ы., Сшервила Дж.Ы., Вайнермана А.Е. ж др. показано, что в качестве плазмообразущей среда для плазменной сварка и неплавки металлоконструкций используют молекулярные (AI2» Н2» C02,/VH3 и их смеси), а также атомарные газы (We.At). Проведен сравнительный анализ способов сварки и наплавки.

При использовании форсированны* режимов и наличии технологических возмущений значительно возрастает вероятность образования дефектов формирования. Б работах Акулова А.И., Нагона Б.Е., Чершшова Г.Г,, Лнтилова В.В., Гумерова Э.А., Петрова A.B., Шгрикаана М.Н., Титова Н.Я. пояазаяо, что на процесс формирования сварнах швов мокно воздействовать, изменяя тепловые и силовые характеристики дуги.

Широкое применение э условиях производства для сварки и наплавки толстостенных конструкций плазменной дуги ограничено из-за проблей, связанных со стабильным длительным ведением процесса, недостатком конкретных рекомендаций по сварке и наплавке, значительной зависимостью свойств соединения от условий сварки и наплавки.

.< В задачи работы входило: ;

1. Исследование электро- и теллофизических характеристик плазменной дуги. •

2. Анализ процесса плавления основного и присадочного металла плазменной'дугоЛ.

3. Исследование технологических особенностей процесса сварки и наплавки толстостенных металлоконструкций.

4. Разработка элементов оборудования и технологических рекомендаций для плазменной сварки и наплавки с присадочной проволокой.

Вторая глава лосвяпюка исследованию я разработке способов управления электро- я тетгофизическими характеристиками шгаз-менной дуги. Электрофизические параметры плазменной дуги, ха-рактеразуодиэ ее технологические свойства, в значительной сте-пеш! зависят от состава шгазиообразущей среда. Так, ВАХ плазменной дуги в СС>2 при токах до IQ0-I4Û А - падсщая, о увеличением тона БАХ дуга переходит в жесткую; в среде аргона падащий участок BAI найлвдаотся при токах до £0 А, при больазх токах ВАХ становится возрастающей.

Методом разрезного анода установлено, что радиальное изменение плотности тока, определяющее характер телловложения в изделие, удовлетворительно апрокошируется нормальным законом. Распределение плотности тока в активном пятке в значительной мере зависит от состава плазмообразувдей среди. Максимальная плотность тока в активном пятне достигается при использовании в качестве плазмообразупцей среда СО2. Даже при незначительном (до 10$) увеличении содержания СО^ в снеси с аргоном радиус активного пятна резко уменьшается. В то же время во вьем исследованном диапазоне яра увеличении содержания азота в смеси с аргоном радиус активного пятна уменьшается плавно. На распределение плотности тока в активном пятне влияет и полярность. Tait, радиус анодного штна дуги на изделии существенно больше катодного. Таким образом, изменяя состав плазмообразувдей среды можно регулировать распределение плотности тока в активном пятне.

Изучение радиального распределения температуры в столбе плазменной дуги осуществляли методами абсолютных и относительных ангенсивносгей спектральных линий. Установлено, что при использовании полнх электродов температура плазмы значительно выше, чем при использовании стержневых электродов, что связано с уменьшением конусности дуги, а следовательно, и перепада электромагнитных давлений на начальном участке столба, в результате чего уменьшается скорость и увеличивается длительность нагрева газовой фазы в дуге. Температура плазмы в центральной части дуги в азоте выше, чем в аргоне, однако на периферии дуги в азоте наблюдается резкое уменьшение температур.

Калориметрированлем исследовали радиальное распределение тепловых потоков столба плазменной дуги. Установлено, что при использовании в качестве плазмообразувдей среда аргона распределение мощности тепховложеняя в проволоку удовлетворительно

5

описывается нормальным закопом. При использовании в качестве плазмообразукщей среда углекислого газа в сечении столба дуги можно выделить две зоны - центральную и периферийную. В каздой из зон распределение удельной мощности тепловложения в проволо- . ку также удовлетворительно описывается нормальным законом. Однако, в периферийной зоне коэффициент сосредоточенности существенно выше, чем в центральной. Изменение характера распределения удельной мощности теялоаяожешш в присадочную проволоку в периферийной зоне обусловлено значительными затратами энергии на диссоциацию углекислого газа.

В третьей главе изложены результат исследования особенностей плавления основного и присадочного металла плазменной дугой.

При ллазыенно-дуговой сварке и наплавке с аксиальной подачей токоведущей присадочной проволоки нагрев присадочного металла осуществляется энергией активного пятна, плазменного потока и проходящего по вылету тока, причем, мощность тепловложения в проволоку от проходящего тока на участка контакта проволоки с плазмой определяется суммой тока шунтирования и тока, генерируемого источником питания проволоки. Анализ экспериментальных и расчетных данных показывает, что нагрев присадочной проволоки потоком плазш существенно увеличивает производительность плавления, особенно цри малых токах проволоки. При больших токах про-'волоки возрастает роль нагрева шлета проходящим током. С увеличением глубины погружения проволоки в плазму становится более заметным влияние тока шунтирования на нагрев присадочного металла. Установлено, что плазменная дуга влияет на нагрев присадочной проволоки непосредственна - за счет теплообмена между потоком плазмы к проволокой; и косвенно - за счет увеличения тепловыделения от проходящего по проволоке тока. Это происходит вследствие увеличения удельного электрического сопротивления при нагреве проволоки потоком плазш, возрастающего с увеличением тока проволоки и глубины погружения проволоки в плазму.

В работе исследовалась эффективность нагрева плазменной дугой радиалыю подаваемой присадочной проволоки.' Установлено, что с увеличением диаметра проволоки экспериментальная мощность телловложения в проволоку от плазменной дуги возрастает быстрее расчетной мощности плазменного потока в сечении столба дуги, занимаемом присадочной проволокой и расчетной мощности тепловложения в 6

проволоку от плазменной духи. Это объясняется тем, что о увеличением затрат энергии на нагрев проволоки возрастает контраги-рование столба дуги. Происходит физическое саморегулирование -чем больше затраты тепла на нагрев проволоки, тем больше радиальные потоки тепла с периферии столба в зону контакта проволока с плазмой.

Производительность плавления присадочной проволоки могло увеличить в 1,3-1,6 раза,'осуществляя короткое замыкание рада-адьно подаваемой проволоки с изделием в пределах токопроводяце-го канала столба дуги. При наличии общего анодного пятна на изделии и проволоке распределение его тепловой моцнооти определяется распределением тока мевду проволокой и изделием. С ростом диаметра проволоки существенно увеличивается доля тока дуги, протекающего через проволоку, что приводит к росту тепловложе-ния в проволоку и увеличен™ скорости ее плавления. Следует отметить, что при коротком замыкании проволоки с изделием и использовании дуги в аргоне эйфект перераспределения тока между проволокой и изделием проявляется в меньшей степени, чем в СС^, что связано с увеличением диаметра активного пятна на изделии и уменьшением дохи тока, протекающего через присадочную проволоку.

Одним из факторов, позволяющих регулировать мощность теп-ловлояедия в присадочную проволоку является угол ее ввода в столб плазменной дуги. Мощность тепловложения в проволоку плазменной дугой с уменьшением угла $ возрастает более интенсивно по сравнению о нейтральным энергоносителем. Непосредственный нагрев проволоки током щуптирования незначителен, поэтому модно предположить, что увеличение тепловложения обусловлено тепловым и олектромагнитным взаимодействием проволоки с плазмой. Однако, при продольной подаче присадочной проволоки в столб дуги эффект теплообмена с плазмой значительно снижается, так как у межфазной поверхности образуется "стоячий" слой газа, что затрудняет массообмен энергоносителя с нагреваемым телом.

В условиях газодинамического воздействия существенно возрастает пространственная устойчивость разряда, что позволяет увеличить длину дуги и обеспечить уменьшение давления дуги ниг ? свободной дуги, особенно при использовании полых электродов. Установлено, что при ограничении степени яоптрагкрования дуги плавление основного металла зависит от интенсивности тепловложе-

7

кия в изделие, а не от давления дуги. Следует отметить, что стабильность плавления основного и присадочного металла в значительной мере определяется составом плазмообраэувдей среда. Установлено, что в С02 изменение глубины проплавления изделия при смещении дуги со стыка, а также изменение производительности плавления проволока при ее смещении относительно столба дуги значительно меньае, чем в аргоне. Это связано с уменьшением, ■ вследствие интенсивной диссоциации в дуге, радиального градиента плотности тепловой мощности в центральной зоне столба.

В четвертой главе изложены- результаты исследования стабильности процесса, определены требования к оборудованию для плазменной сварки и наплавки.

При радиальной додаче присадочной проволоки в столб плазменной дуги обеспечивается высокая стабильность процесса, однако незначительные изменения параметров режима могут приводить к снижению качества формирования шва з результате изменения точки плавления проволоки и характера переноса присадочного металла.

Процесс с аксиальной подачей присадочной проволоки стабилен в достаточно широком диапазоне режимов. Однако при определенных значениях параметров режима возможно нарушение стабильности процесса в результате шунтирования плазменной дуги присадочной проволокой. Это приводит к двойному дугообразованшз, когда наблюдается горение не одной плазменной дуги, между нёдлавящимся электродом и изделием, а горение двух дуг - мевду неплавящимся электродом и проволокой, а такхе мевду проволокой и изделием.

Многофакторщщ экспериментом установлено, что одним из основных факторов, определявшим условия шунтирования плазменной дута, является напряжение источника питания присадочной проволоки. Для присадочных проволок из различных материалов (04П9ННЫЗ, Св08Г2С, АК5, Бр.КМцЗ-1, ВП-О) определены коэффициенты регрессии линейной модели. Экспериментально установлено, что критическое напряжение, при котором плазменная дуга шунтируется проволокой зависит от тона плазменной 'дуги и присадочной проволоки, а также длины плазменной дути. В производственных условиях чтобы исключить выход на аварийный рейда, а также компенсировать слу-. ча&ше возмущения рабочее напряжение источника питания присадочной проволоки должно быть шше критической величины на 4-5 В.

Разработан плазмотрон для плазменной сварки и наплавки о аксиально и радаально подаваемой проволокой, обеспечивающий 8

непосредственное водяное охлаждение и стержневых, и полых электродов. Для создания надежной газовой защиты рабочей зоны при сварке и наплавке на форсированных режимах предложены специальные водоохлавдаеше баямаки.

Предложена микропроцессорная система управления, которая производит вычисление оптимального напряжения источника питания присадочной проволоки в зависимости от текущей измеряемой величины напряжения плазмы, а также величин токов проволоки и длаада, что обеспечивает стабильность процесса в условиях действующих возмущений, а также при необходимости коррекции режима оператором. Разработана также специальная система защиты от шунтирования проволокой плазменной дуги, которая обеспечивает восстановление процесса, если возмущение является случайным и его прекращение, если возмущение является постоян-нодействутащм.

Пятая глава посвящена изучению техники, особенностей технологии плазменной сварки и наплавки шсоколэпфовавных сталей, меди и ее сплавов, а также разработке рекомендаций по практическому использованию процесса.

На основании проведенных исследований разработаны циклограммы плазменной сварки и наплавки с аксиальной и радиальной подачей присадочной проволоки. При плазменной сварке и наплавке важную роль играет способ возбуждения плазменной дуги, влияющий на долговечность сопла и электрода, стабильность ведения процесса, качество выполняемых работ. Наибольшее распространение получило возбуждение плазменной дуги высокочастотным электрическим разрядом. Однако, электрод и сопло в момент возбуждения испытывают значительные тепловые нагрузки, что способствует их быстрому износу, кроме того разряд осциллятора создает помеха в работе электронных систем управления и контроля, что затрудняет использование для управления микропроцессорных систем.

При аксиальной подаче токоведущей присадочной проволоки возбуждение плазменной дуги можно осуществлять следующим образом: присадочная проволока с малой скоростью подается к изделию, при касании с изделием часть вылета проволоки расплавляется и "взрывообразно" разрушается. Плазменная дуга возбуждается за счет ионизации промежутка ыеаду плазмотроном и изделием пара® жидкого металла. Однако, при использовании

присадочной проволоки диаметром более 1,2 мм брызги расплавленного металла, прилипая к электроду и соплу, могут закорачивать их, что приводит к нарушению стабильности процесса. Данный недостаток можно избежать при использовании специальной системы возбуждения дуги, когда в момент короткого замыкания проволоки с изделием система управления осуществляет реверс двигателя по-дащего механизма и проволока с максимально возможной скоростью подается в противоположном направлении. Возникает дуговой разряд между проволокой и изделием - промежуток мевду электродом плазмотрона и изделием ионизируется и возбуждается плазменная дуга.

Ддазменко-дуговуя сварку и наплавку с аксиальной подачей токоведуцей присадочной проволоки наиболее эффективно использовать для производства ответственных металлоконструкций из высоколегированных сталей и сплавов, а таяяе из цветных металлов.' Сварку сталей толщиной до 10 мм выполняют без разделки кромок с гарантированным (2-Змм) зазором. Сварку сталей толщиной более 10 мм выполняют с разделкой кромок. Для обеспечения провара корня шва необходимо использовать и - образную разделку (при толщине более 20 мм - двухстороннюю), при этом радиус закругления должен быть 3-6 мм, а величина притуплений 3-5 мм. Для уменьшения количества проходов целесообразно использовать щелевую разделку с углом раскрытия 0-3°. При сварке сталей толщиной более 45 мм даш обеспечения качественного провара корня шва, перед подачей проволоки необходимо осуществлять прогрев кромок разделки до образования ванны жидкого металла.

При многопроходной сводке одним из наиболее опасных дефектов являются несплавления. Установлено, что кривизну поверхности валика можно изменять при раздельном регулировании скорости плавления присадочной проволоки и мощности тепловложения в изделие от плазменной дуги. Увеличение тока плазменной дуги интенсифицирует нагрев кромок в разделке и обеспечивает получение валиков с вогнутой лицевой поверхностью, исключающей образование межваликовых несплавлений. Значительное влияние на (формирование шва в щелевой разделке оказывает скорость сварки. При большой скорости сварки возможно образование несплавлений валика с кромками разделки, при малой скорости - образование не-проваров вследствие подтекания жидкого металла в зазор перед дугой. 10

При сварке нержавеющих сталей наблюдаются значительные деформации металлоконструкций, поэтому особую роль приобретает последовательность наложения валиков в разделку. Для снижения послесварочных угловых деформаций укладку валиков в двухстороннюю разделку необходимо осуществлять в следующей последовательности: заварка корня шва, кантовка, заполнение первой стороны разделки, кантовка, заполнение второй стороны разделки.

При сварке и наплавке нержавеющих сталей с аксиальной подачей присадочной проволоки исследовали влияние качества газовой защиты рабочей зонн на растворимость азота в металле шва. Установлено, что в результате ухудшения условий защиты концентрация азота в металле шва может увеличиваться от 0,03? до 0,18$. При изучении макрошшфов визуально установлено, что с ростом концентрации азота в металле шва увеличивается количество неметаллических включений. Фазовый анализ выделенного электролити-, ческим методом из шва неметаллического осадка показал, что при снижении качества защиты и наличии в присадочной проволоке легирующих элементов, химически активных к азоту (например, ниобия) существенно возрастает содержание шмрздов в швах, способствующих хрупкому разрушению металла при диналяческих нагрузках. В этом случае дая снижения концентрации азота в дуге рекомендуется использовать специальные защитные башмаки и иторки, создакн-щие своеобразную минияамеру в зоне сварки.

При сварке на обратной полярности снижаются требования к чистоте поверхности изделия - образующаяся при выполнении первого слоя в результате несовершенства газовой защиты окненая ■> пленка при выполнении второго слоя разрушается и удаляется ■ вследствие катодной зачистки. Действительно, при многослойной сварке корневой шов практически не отличается по концентрации неметаллических включений от облицовочного. Однако при сварке и наплавке на форсированных режимах увеличение объема жидкого металла в головной части ванны экранирует оксидную пленку от • потока ионов и снижает эффективность катодной зачистки. В этом случае необходимо осуществлять предварительную механическую зачистку кромок, а сварку или наплавку выполнять с использованием нескольких потоков газа (плазмообразукщего, формующего, защитного). Проведенные механические испытания и исследования химического состава металла шва показати, что свойства сварного соединения и химический состав наплавленного шва соответст-

II

вуют требованиям предъявляемым в атомном машиностроении.

При радиальной подаче присадочной проволоки в столб пламенной дуги значительно расширяются возможности сварки и наплавки за счет использования молекулярных газов (например N 2» и ДР• ^ Технология плазменной сварки с радиальной подачей присадочной проволоки рассматривалась на примере сварки меди и ее сплавов в среде азота и аргона.

В работе исследовалось влияние состава присадочной проволоки, рода плазмообразущего газа, качества залети, точки плавления присадочной проволоки, предварительного подогрева изделия на механические свойства, а татае концентрацию кислорода и азота в металла шва. Анализ экспериментальных данных показывает, что концентрация азота, являющегося нейтральным газом для меди, в металле шва практически но зависит от условий сварки, концентрация кислорода может быть уменьпена за счет раскисления расплава. Применение присадочной проволоки 1ШцЗ-Г содержащей крешшя и 1% марганца, снижает концентрации кислорода в металле шва до 0,003-0,01$. Анализ механических свойств показывает, что предел прочности и текучести металла шва изменяется весьма незначительно. Однако относительное удлинение металла шва в зависимости от условий сварки изменяется от 9,5% до 52,6. Исследование микроструктуры металла шва показало, что использование предварительного подогрева увеличивает размеры зерна и значительно уменьшает величину относительного удлинения металла. Поэтому при сварке меди и ее сплавов наиболее эффективно для предотвращения несплавлений и непроваров использовать не предварительный подогрев, а контрагирование дуги.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Цри сварке и наплавке толстостенных конструкций используют форсированные решшы, в этом случае существенно увеличивается вероятность нарушения стабильности процессов, а также возрастает зависимость формирования валика от интенсивности и характера плавления основного и присадочного металла, то есть распределения тепловых потоков в дуге.

2. Установлено, что при ограниченной степени контрагирования дуги глубина проплавленш основного металла в основном определяется интенсивностью тешювлояекил в изделие, а не давлением плазмы иа жидкий металл. Радиальное распределение плотности тепловой мощности в плазмеппсй дуге удовлетворительно одгсывается нормальным законом, однако для молекулярных газов (например С0з)в столбе

12

можно выделить две зоны о различными значениями коэффициента сосредоточенности - центральную и периферийную. Более равномерное распределение плотности тепловой мощности в центральной зоне дуга уменьшает влияние технологических возмущений на плавление основного и присадочного металла.

3. При радиальной подаче присадочной проволоки производительность ее плавленая может быть увеличена уменьшением угла ввода проволоки в столб дуги, а также ее контактом с осноеным металлом в пределах токовроводгацего канала столба дуги. В условиях аксиальной подачи использование обесточенной проволоки вследствие ограниченности массообмена плазма в зоне контакта с проволокой резко сщша-ет скорость ее нагрева, использование токоведущей проволоки обеспечивает рост производительности ее плавления за счет интенсивного тепловыделения в шлете и активном пятне на торце проволоки.

4. При плавлении проволоки в активном пятно на изделии ско-

. рость ее нагрева определяется распределением плотности тока в пятне. Установлено,что тепловложение в присадочный металл возрастает с увеличением диаметра проволоки и уменьшением размеров активного пятна,например,при газодинамическом воздействии на плазму и использовании молекулярных газов. Даже незначитедькая(до 10$) концентрация СО2 в газовой смеси приводит к резкому,по сравнению с А/ 2 уменьшению радиуса активного гштна.Это связано с тем,что для С02, дЕссоциируюцего на периферии столба, эффект контрагирования дуги проявляется заметнее,чем при использовании /V диссоциирующего в объеме столба.

5.Установлено,что при плазменной сварке и наплавке хромоннке-о левых сталей о использованием присадочной проволоки,легированной

ниобием,интенсифицируется насыщение металла азотом, фи повышении концентрации азота в жидком металле вследствие снижения качества защиты в металла шва возрастает содержание нитридов,способствующих снижению его ударной вязкости. Получение высоких механических свойств металла требует качественной защиты расплава от воздуха и может быть реализовано при использовании специальных башмаков и шторок,создающих своеобразную миникамеру в зоне сварки,

6. При сварке меди обеспечение высокой раскисленности металла шва в условиях нарушения газовой защиты возможно при использовании присадочной проволоки, легированной крешшем и маргавдем, если температура жидкого присадочного металла ограничивается за счет его плавления в активном ллтне на изделии. Увеличивая степень контрагировшшя дуги можно исключить предварительный нагрев

13

изделия и уменьшить размеры зерна, а следовательно,повысить пластичность металла шва.

7. При реализации технологии в условиях производства и наличии различного рода возмущений качественное формирование валика требует коррекции режимов в процессе сварки и наплавки. В этом случае для стабилизации горения дуги необходимо использовать микропроцессорную систему управления и защиты, которая при изменении электрических параметров выполняет расчетные и логические операции.

8. Разработан плазмотрон, обеспечивающий горение сжатой дуги на форсированных режимах при прямой и обратной полярности. Созданное оборудование показало высокую эффективность в условиях ПО "Атоммаш" при сварке и наплавке опытных образцов, имитирующих условия изготовления уллотнительных поверхностей люков и лепестков корпуса реактора ЕН-800.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Перенос присадочного металла при плазменной сварке в СО2. /А.И.Акулов, Б.Л.Боженко, А.Ф.Шепелев, Ю.В.Заяров'и др.//Сварочное производство.-1987 .-Л 12.-С.8-9.

2. A.c. I557831 СССР МКИ3 Б23К 9/10 Устройство для плаз-ыенно-дуговой сварки плавящимся электродом /Е.А.Алексеев, И.Г.Афанасиада, БД.Боженко, Ю.В.Заяров и др.(СССР).- Заявл.: II.01.88.

3. Радиальное распределение в столбе стабилизированной плазменной дуги удельной мощности гедловлокения. /Б. JI .Боженко, Ю.С.Сысоев, Ю.В.Заяров и др.//Сварочное производство.-1989.-& 8.-С. 34-35.

4. Дяавленде дрдсадочного металла в анодном пятне плазменной дуги./В.Л.Божецко, Ю.В.Заяров, А.И.Акулов и др.//Изв.ВУЗов. Машиностроение ,-1989..-Л 12,-0.138-141.

5.Нагрев присадочной проволоки в столбе плазменной дуги. /£,Л.Боженко, С.И.Еилог, -А.Я.Акулов, Ю.В.Заяров и др./ЛЬв. БУЗоб.Машиностроение,- I990.-& 2.-С.95-98.

6. Правление присадочного металла стабилизированной плазменной дугой./Б.Л.Бокенко, |0,С.Сысоев,-Ю.В.Заяров и др.//Изе.Сев.-Кавк,Цектра высш.шк Лехн.науки.-1992.-А I-2.-C.22-27.

7. Положительное решение от 30.01.92. по заявке 4751864 (£29718) "Способ плазманно-дуговой сварки" СССР 1Ш13 В23К 9/10 / Е.А.Алексеев, Н.Г.лранаоиади.Б.Я.Еокедко, Ю.В.Заяров и др. (СССР).-Задвл.: 23.10.89,^

Тпл.К 16000

150А

V1

г"

6

б)

0 Ц5 4,0 15 2,0 г,ММ 2 4

Рис. I. Радиальное распределение температуры (а) п давления (б) плазменной дуги

_ _ — стержневой (V/ ) электрод;--полый (Си ) электрод

2,5 2,0 45

10 0,5

0 ' 2 3 4 5 г,мм

Рис. 2. Радиальное распределение Рис. 3. Армирование много-плотноста тепловой иоц- олойных швов п ша-

лости плазменной дуги левуи разделку

2,0 им; ^ - 40 ма

(08Х19Н9Т)

v

\ Аг

С02 \

\ч \ 4

1500 1000 500

п

и

X

а

С

0,15 0,1 0,05

\—& + шторку 3—в<р

к—С С г * пройза шобия 0-а« О-С^

Аг = 225 А;

290 А;\/Сг= 12 и/ч

Рис. 4. Влияние условий газовой защиты на содержание азота и ударную вязкость металла шва с|пр= 2 ш (Св04ХгОЕЗОГ2Б); ¿' - 45 ым (12Л8Н9Т)

б)

Рас. 5. Схеии управление (а) и защиты (б) 16