автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологических основ создания прокрытия для защиты стальных металлоконструкций от расплавленных электродных брызг

Приазовський державний техшчний ушверситет

сгз CVI

о п

- Шевченко

Irop Валершович

УДК 621.791.75

Розробка технолопчних основ створення покриття захисту сталевих металоконструкщй В1д розплавлених електродних бризок

Спещальшсть: 05.03.06. Зварювання i спорщнеш технологи"

Автореферат дисертацп' на здобуття вченого ступеня кандидата техшчних наук

Мар1уполь 2000 р.

Дисерташя е рукопис.

Робота виконана в Пр1азовському державному техшчному ушверситет! (ПДТУ) Мшктерства освки Укра'ши, м. Мар1уполь.

Науковий KepißHHK доктор техшчних наук, професор

Чигарьов Валери! Васильевич ПДТУ, зав. кафедрою «Металурпя i технолопя зварювального виробництва»

Офщшш опоненти доктор техшчних наук, професор

Гулаков Cepriii Володимирович ПДТУ, зав. кафедрою "Автоматизашя технолопчних процеав"

кандидат техшчних наук 3api4eiicbKiifi Анатолш Васильевич

зам голови НДВЗВ ВАТ "Азов", м. MapiyiKwib

Провщна установа: Нашональний техшчний ушверситет Укра'ши

"Кшвський полггехшчний ¡нститут" М'ппстерства осв1ти Укра'ши, м. Кшв

Захист вщбудеться /6 Вервн£и 2000 р. о /4 год. на засщанш спещалвованоГ вченоТ ради К.12.052.01. при Пр1азовському державному техшчному yHiBepcnTeTi за адресою: 87500, м. Mapiynonb, пер. Республжи, 7.

3 дисертащею можна ознакомитесь у бюлютеш ПДТУ: 87500, м. Мар1уполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розкланий _ 2000 р.

Вчений секретар спешал1зованоТ вчено'1 ради доктор техшчних наук, професор

Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Перед пщприемствами й оргашзашями, яю займаються питаниями зварювального виробництва, стоУть проблема шдвищення продуктивное^ npaui, полтшення якога продукци, розробки енергозбер1гаючих, еколопчно чистих npoueciB i конкурентоспроможних вироб'ш.

Одним ¡3 методт ршення даноТ проблем» е зниження трудом¡ctkocti технолопчних процесш ¡з застосуванням вщомих вид1в зварювання, а також розробка еколопчно чистих зварювальних i допом1жних MaTepianiB.

Бшьипсть металоконструкцш виробляють за допомогою натвавтоматичного й автоматичного зварювання в середовтш вуглекислого газу, ручного дугового зварювання i зварюванням порошковим дротом. Проте Bei ui види зварювання поряд ¡з вшомими перевагами мають недолш: набризкування розплавлених електродних крапель як фактор, що збшьшуе трудом1стк1сть виготовлення зварних металоконструкцш i попршуе ixulii товарний вигляд. На зачищення вщ бризок одного погонного метра шва, виконаного штучними електродами, припадае 20-25 % трудом1Сткоет1 усього процесу, а при автоматичному i натвавтоматичному зварюванш у вуглекислому ra3i - 30-40 %.

Найбшьш простим способом, що дозволяе зменшити можлившть прилипания бризок i полегшити Ухне видалення з поверхт металу, е попередне нанесення на и захисних покритпв.

Актупльшсть теми. Для захисту вщ бризок застосовуються спещальш покриття i р1зноман1тн1 грунти, ям використовуються для консерваци прокату. Bei вони, маючи своУ переваги i недешки, не дозволяють виршити головноУ задач1 - яктного захисту поверхш вщ бризок без попршення властивостей зварного з'еднання, умов роботи зварника. У зв'язку з цим зрозумша защкавлетсть спещатспв-виробничшшв у наявност1 високоефективного захисного покриття, що екрануе металоконструкщУ вщ вражаючого вплпву розплавлених крапель.

.Штературний аналп виявив значку кшькють винаход1в, статей, присвячених проблем! охоронн поверхонь вщ УхньоУ поразки. Проте недостатшсть публ1кащй теоретичного плану надае im приватного характеру. Нема теоретично обгрунтованих критернв вибору складу покриття, недостатньо вивчений мехашзм захисту в зош високих температур, вщеутня загальна теор1я запоб1гання приварювання бризок. Зазначене ускладнюе виб1р i розробку рацюнальних технолопчних прийом^в виготовлення, нанесення i застосування захисних композицш. Внаслщок цього як у дослщженш, так i в npaKTimi застосування покритпв е великий обсяг емтричних вишукувань i ненадшшеть прогаозування YxHix результатш.

Таким чином, розробка технолопчних основ створення еколопчно чистого високоефективного захисного покриття е актуальною задачею.

Зв'пзок роботн з науковими програмамн. планами, темами. Робота виконана у вщповщност1 з программ НДДКР ПДТУ на 1998-99 роки.

Мсга I задачи дослщження. Метою дисертацжно!' робота е розвиток технолопчних основ створення захисних покрит1в 1 розробка високоефективного еколопчно чистого складу для усунення прилипания бризок при зварюванш маловуглецевих I низьколегованих сталей. У зв'язку з цим у робот! були поставлен! таю задача

- розробити системний пщхщ до принцишв побудови захисних покригпв;

- вивчити законом1рност1 термодеформацшноТ взаемодп захисного покриття \ бризок розплавленого металу;

- визначити основш критерп, яким повинен виповщати експлуатацшно-технолопчш аластнвосп захисних покригпв;

- на пшстав1 дослшжснь 1 теоретичних вишукувань розробити склад еколопчно чистого захисного покриття, яке мае гарантоваш технолопчш властивосп 1 сприятлив1 саштарно-ппешчш показники;

- розробити технолопю виготовлення, технолопчний прочее I оснастку для нанесения покриття на вироб;

- розробити ьлльюеш методи оцшки експлуатацшно-технолопчних

характерис: к захисних покритов.

Нпуков» ювизиа одержаннх результатов. У результат! проведеного теоретичного дослшження розроблений тдхщ до визначення температури захисного покриття в зот контакту з розплавленою електродною краплею.

Визначеш основш залежност! 1 схема розрахунку кшькост1 теплота, одержано'! захисним покриттям.

Розроблена математична модель термодеформацшноУ взаемод1'Г захисного покриття ! бризок розплавленого металу, що дозволяс виявити теоретичш законом!рност1 термох1м1чних процеав з урахуванням теплоф1зичних властивостей покриття, характеру його температурного поля, фЬико-х1М1чних властивостей шгред1енпв покриття.

Встановлено, що основними факторами, як1 визначають кшькшть газопод1бних вид1лень 1 тиску газш з боку покриття на краплю, е: стушнь процмву покригпв, тип 1 кшьгасть терм^чне нестабьтьних продукте у його склада

Визначеш основш критери, яким повинна вшповщати експлуатацшно-технолопчш властивост1 захисних покритов:

- висока термоспйюсть в умовах тривалих термодшам1чних обурень, внесених у стан захисного покриття (деформацп зварювальних деталей,

вплив тер!ШЧНОГО циклу багатопрохщного зварюванш, сшльний вплив температурних полш сусщшх шв'т);

- максимальна теплопровштсть, то забезпечуе штенсивний прогр1в до температур повного х1М1чного перетворення матер1алу покриття;

- ефективна газотворна спроможшсть, що дозволяе створювати тиск на краплю, який перевищуе сили, що сприяють налипанию бризок на захисне покриття.

Розроблеш кшьюсш методи оцжки експлуаташйно-технолопчних характеристик захисних покригпв.

Практнчне значения отриманих результа^в. Розроблена промислова технология виготовлення 1 мехашзованого нанесения захисного покриття, створена дшянка по виготовленню розробленого захисного покриття потужшстю 20 т у р1к.

Застосування цього складу захисного покриття при зварюванш маловуглецевих 1 низьколегованих сталей дозволяе знизити трудомктмсть зварювалышх роб1т на 25-30 % за рахунок забезпечення 100 %-ного захисту основного металу 1 виключення операцн зачищення.

Оптималышй склад захисного покриття теля нанесення утворюе пл1вки з необхщними адгезшно-когезшними показниками 1 добрими покриваючими властивостями, як1 не перешкоджають початковому збудженню зварювальноТ дуги, не впливають на яюсть металу шва, не утворюють газов1 пори в наплавленому металл не попршуготь санггарно-ппешчних умов пращ, не потребують видалення при наступим;; лакофарбових операшях.

Розроблеш методики дослщження використовуються в ПДТУ при утворенш нових зварювалышх матер!алш.

Проведена апробащя захисного покриття в умовах АТ «НКМЗ» 1 АТ "КЗМК" (м. Краматорськ). Иого впровадження дозволило отримати р1чний економ1чний ефект 36351 грн.

Особнстнн внесок здобувача. Автор вивчив мехашзм захисту в зош високих температур 1 розробив теоретичш передумови науково обгрунтованого методу побудови захисних композишй. Визначив основш критерп, яким мають вщповщати експлуаташйно-технолопчш властивост1 захисних покригпв. Розробив програмне забезпечення моделювання дослщжувальних процеав з використанням 1ТЕОМ. Пров1в дослщження якост1 металу шва, визначив оптимальне стввщношення компонента захисного покриття, розробив рашональну технолопю його виготовлення. Впровадження результата роботи, створення виробничо! дшянки зд1йснювалось при особистш участ1 здобувача на Краматорському завод! металоконструкцш, апробащя - на Новокраматорському машинобуд1вному заводь Автором шдтверджене очжуване зниження загально'1 трудом1сткост1

зварювальних pooir за розрахунок змшення технологи захисту зварювальних металоконструкцш.

Анпбашя резич.татш дисертацп. Maxepiajiii дисертацшно! робоги доповщались на науковш конфсренцн "Проблем« технологи, унравлшш i економшГ (Крамагорськ, 1999 р.), засщаниях Академн ¡нжеперних наук Укра'ши (Днепропегровськ, 1998, 1999 роки), наукових семшарах кафедр: "Мегалурт i технология зварювалыюго виробшшгва" i "Устаткування i технолога зварювалыюго виробництва" Приазовського державного техшчного ушверситету (Мар1уполь, 1998, 1999 роки).

lIvnjiiKiiuiY. За результатами виконаних дослщжеиь оиублжоваш 6 робот, в тому числ1 4 статп в спещшизованих виданнях ВАК Укра'ши, 2 тези у 3oipui доповщей на науков1й конференцн.

Структура дпеертапн. Дисерташя складаеться з введения, 5 роздшв, BuciioBKiB, списку використшшх джерел i3 174 найменувань, 6 додатюв i мютить 140 сторшок машинописного тексту, 87 магаонкш, 26 таблиць.

OCIIOBHUtt ЗМI СТ РОБОТИ

У встушпй частиш обгрунтована актуалыпеть теми, сформульоваш мета i методи вирпления розроблясмо! проблеми, вшм1чена наукова новизна i нрактичне значения робоги, поданий перелик наукових конфереищй, ceMinapiB, на якнх апробувалися результата, i киыасть пуб.пкашй, що стосуюгься теми дисертапи.

1'озд1л1. Сучасний стан пнтаиня.

При зварюванш металоконструкшй одна х. наибпьш трудомютких операши - очищения деталей В1д бршок, якч мщно зщплюються з поверхню основного металу. Рашоналышй 3acio запоб1гання Ухнього иашпання -нанесения спешальних захисних покрнпв.

Найбьтып поширеш, дешев1 i npocTi у виготовлеш захисш покрштя на ocnoai водного розчину (в якоеп розчинника). Проге доевщ використания ix у виробничих умовах виявив ¡сготш недолшг триволий термш cvuiimw (1,5-2 ч); погане змочування забрудиених i незнежиреннх поверхонь; В1дсут1псть захисного ефекту при багатопрохщному зварюванш, а також при зварюванш на токах бьчьш 250 А (особливо в умопах великокрапельного переносу) через пробш захисного покриття, я кий нризводить до оголення дшянок металу, що захшцаються: шд ;нао водяного розчину дета;п шддаються корози, шо веде у випадку попадания захисного покритгя в зону зварювання до ннникнення дефекта у зварному ami. KpiM того, вони мають низьм зварювально-технолопчш характеристики i при зварюваш в ¡япо в ¡даль них конструкщй i'x застосування неприпустимо.

При внкористанш захисних покритпв на ochobi рщкого стекла термш

СуНУПНЯ СКОрОЧуСТЬСЯ ДО 30 ХВИЛИН 3 уТВОреПИЯМ шшьно! ЗаХИСНО! ПЛ1ВКН.

Проте при IX поггадант в шов утворюються дефекта. У зв'язку з високою в'язюстю композицп процес нанесения захисного покриття не може бути мехашзований. Перед внконанням лакофарбових операцш через високу адгез1ю до металу, яка ще посилюеться при терм1чному вплив! зварговальноТ дуги, ш по1фиття видаляються з поверхонь, що захищаються, за допомогою механичного оброблення. Полшшення технолопчних характеристик цих покригпв лежить на шляху ускладнення складу I технологи виготовлення. Проте й у цьому випадку не вир^шуеться питания мехашзаци йшього нанесения.

Захисш покриття на основ! ламв 1 ¡нших оргатчних речовин висихають протягом 15-30 хвилин, мають високу термостшкшть, не впливають на як!ст;> зварного з'еднання. Проте при терм1чному вплив1 на захисш покриття з'являеться неприемний запах речовин, що утворюються внаслщок деструкцп складових покриття, яке викликае негативну емоцшну реакщю роб1тнигав. Кр1м того, такЬ захисш покриття дорого коштують, а Тхне видалення перед проведениям лакофарбових робгг також можливо лише за допомогою мехашчних засоб1в.

Внаслщок вказаних. недолшв промисловий випуск вщомих склад1в покригпв в У крапп вщсутнш Для створення високоефективного захисного покриття, що не мае зазначених недолшв, необхшний системний пшхщ до проблеми запо61гання приварювання бризок до мсталепо! поверхш. Розробш теоретичних основ створення захисних покригпв присвячеш наступш роздьти.

Роздш 2. Дослщження фппко-хЫ|Ч1шх процеЫв у компонентах систем» «крапля - покриття - основний метал».

Приварювання бризок розплавленого електродного металу е результат взаемодй' складових системи «крапля - захисне покриття - основний метал зварюваного виробу». Для вивчення мехашзму приварювання дослщжували поведшку кожного компоненту: теплодинам1чний стан крашп в момент н контакту з поверхнею захисного покриття; термолеформашйш процеси основного металу в площиш контакту з захисним покриттям; ф1зико-Х1м1чш процеси в захисному покритп в момент утворення досл1джувано1 системи.

Побудована математична модель польоту крапл1 розплавленого металу теля ТТ викиду з дугового пром>'жку, яка дозволяе визначити час 1 дальшеть польоту крапл1, змшення и температури в процес1 польоту, а також розподЬт крапель рпномангшого д!аметру по поверхш деталь

Теоретично визначено й експериментально шдтверднено, що крапл1 дтметром 3-4 мм падають у 50 мм зон! вщ зварювальноГ дуги; крапл! дтметром 1-2 мм розташовуються на вщеташ гид 50 до 100 мм; крашн Д1аметром 0,5-1,5 мм - у зош 80-150 мм; крапл! Д1аметром 0,1-0,6 мм - у зош

120-250 мм. Час польоту великих краиель (бшьш 1 мм) не перевищуе 0,2-0,3 с, за цей час температура крапель зменшуеться на 150-400 °С. Бшьш 80% крапель великого розм1ру вшптають ¡з дугового пром1жку пщ кутом 35°-55°.

Встановлено, що 31 збшьшенням ступени розплющування краогп на поверх]» покриття знижуеться штснсившсть nporpiey поверхневих mapiß. При цьому тривалкть ix перебування при високш температур! зменшуеться 31 збшьшенням розм^ру крапель (при шших нез.мшних умовах) пщвищуються ¡нтенсившсть nporpiey поверхневих mapiß i тривалкть терм1чного циклу uiei зони; зменшення теплопровщност1 покриття веде до шдвищення град!еиту температуря в поверхневих шарах i збшьшеншо часу перебування поверхневих mapiß при шдвищених температурах; при використанш модел1 плоского джерела тепла розрахунков1 значения ближче до розрахунково'1 температури в контакт^ шж при застосуванш модел1 крапкового джерела.

Отримаш р!вняння i дослщш даш дозволяють визначити необхщт характеристики бризок електродного металу в момент ix контакту з захисним покриттям.

Експериментально визначений температурний стан покригпв при pi3HOManiTHOMy piBni теплодинам!чних обурень, внесених у його вихщний стан.

Запропонована математична модель розрахунку температурного поля конкретного зварного з'еднання - внапустку. Температура в будь-як1Й його точц1 описусться р!внянням:

Ш - просторовий рад1ус-вектор у рухливш систем1 координат, тобто вщстань дослщжувано! точки вщ джерел, см;

V - швидюсть зварювання, см/с;

ц„ - сфективна теплова потужшсть зварювально'1 дуги, Вт;

х - абсциса дослщжуваноТ точки в рухливш систем! координат, см;

Ь - коеф1шент температуров1ддачи, 1/с;

I - час, що вщраховуеться вщ моменту перетинання дугою площини, в якш знаходиться дослщжувана точка, с.

Для розрахунку температурних пол1в у захисних покриттях розроблена програма д1алогового режиму роботи на ПЕОМ.

(!)

де п - к1льюсть yeix джерел тепла, п = 6;

X - коефщент теплопровщносп матер1алу, Дж/(с см ° С); а - коефщ1ент температуропровщшст1 матер1алу, см"/с;

Рогшл 3. Вивчення системи «крапля - покриття - метал».

У процеа зварювання вщбуваеться термомехашчна взаемсотя компонентов системи «крапля - покриття - метал».

Клльюсть тепла, одержувана захисним покриттям, дор1внюе сум! галькостей тепла, одержуваних вщ крапл1 розплавленого електродного металу 1 основного металу (}ом 1 може бути розрахована за законом теплопровщност! Фур'е. Розм1ри значень цих складових розраховувалися з урахуванням теплоф1зичних властивостей матер1агив дослижуваноУ системи 1 характеру температурного поля. Для отримана така залежшсть:

гехр

(2)

2(4 ла„1)%

И - площа контакту крапл1 з захисним покриттям, см2;

ап - коефшент температуропровщност! покриття, см"/с;

С?ко - кшьюсть тепла крапл1 в момент контакту з захисним покриттям.

Дж.

де

3 урахуванням об'ему крапл1 Ук 1 и температури Тк:

скрк - питома об'емна теплоемщсть матер1алу крашп, Дж/см3 °С);

(3)

Аналопчно визначали <30„.

Реальш умови експлуатацн покритпв припускають 1 мехащчну взаемодпо розплавленоГ крапл! (сила тяжшня Ок, натрний Р„ 1 ударний Ри тиск, сила адгезп Рдд) 1 газопод|бних продукив термодеструкцн самого покриття (тиск газ1в, що видшяються, Рг). Розрахунки показали, що Ри» Рг. Проте час дп ударного тиску складае 0,01-0,001 с, за цей час вщбуваеться газоутворення тьчьки в приконтактшй зош покриття.

В результат! проведеного теоретичного досл!дження був розроблений пщхгц до визначення температури захисного покриття в зон! контакту з розплавленою краплею.

Встановлено, що захисний ефект досягаеться не тальки за рахунок високоТ термостшкост! покриття, але 1 ного максимально!' газотворност!. Обсяг газу, що видшився при контакт! крашн з захисним покриттям, розраховували за отриманою формулою:

= ■ р„ -5п -я

ж/.

(4)

де

к - частка матер1алу в покритту, який утворюе газ; gп - газотворна спроможн!сть покриття, см3/г; 5„ - товщина покриття, мм; 1гп - висота деформовано'1 крапл!, мм;

с!к - Д1аметр крашп, мм. Отримаш законом1рноеп були використаш для розробки математичноТ модел1 термодеформашйно'1 взаемодн захисного иокриття 1 бризок розплавленого металу, яка дозволяе виявити теоретичш законом1рносп термох1М1чних процесш з урахуванням теплоф|зичних властнвостсй покриття, характеру його температурного поля, фЬико-х1м'1Чних властивостей шгред1еттв покрипя. Ця модель враховуе накопичення тепла в зварннх вузлах при багатопрохвдному зварюванш 1 при накладенш переачних шв1в. Даний процес шдтверджений результатами експеримешчв, приведених на мал. 1 ( зварювальний дргг Св-08Г2С, 0 4 мм ).

Таким чином, при. багатошаровому зварюванш покриття не може створювати газового прошарка вже навпъ при другому проход1 в 50мм найнебезпечшиий зош. Отже, необхщно покриття, яке б мало потужш повтори! захисш властивостк

На основ! проведених теоретичних 1 експериментальних дослщжень визначеш основш критерп, яким повинш вщповщати експлуатацшно-технолопчш властивост! захисних покритпв:

висока термоет1Йк1Сть в умовах тривалих теплодинам1чних обурень, внесених у стан захисного иокриття (деформацп зварювальних деталей, вплив терм1чного циклу багатопрохщного зварювання, спшьний вплив температурних пол1в сусщшх цшв);

- максимальна теплопровщшсть, яка забезпечуе штенсивний прогр1в до температур повного хш1чного перетворення материалу покриття;

- ефективна газотворна спроможшсть, що дозволяе створювати тиск на краплю, яка перевищуе сиди, що сприяють налипанию бризок на захисне покриття.

Основними факторами, що визначають кшьккть газопод1бних видшень 1 тиск газ1в з боку покриття на краплю, е ступшь прогр1ву захисного покриття, тип 1 кшькють термично нестабгльних продусттв у його склада

Розд1л 4. Розробка покриття дли захнсту сталевих металоконструкцш вш бризок електродпого металу.

Розроблеш склад 1 зас1б виготовлення захисного покриття на основ1 синтезованого шаруватого з'едиання графку, интеркал1рованого киснем, яке вшповщае основним принципам побудови захисних покритпв: висока газотворна спроможшсть при низьких (-220-250 "С) температурах, спроможшсть структурувати вуглицев1 новоутворення з низькою (до 0,001 г/см^) насипною густиною часток. Потеншйна енерпя, яка мштиться в гранулах покриття, спрямовано витрачаеться на вшкидання бризки вб'1К вщ мюця п контакту з захисиим покриттям. При цьому графит, як первинний продукт, так 1 сажеподюний вуглець, як вторинний продукт термодеструкшУ,

а

б

ширина покриття: а - 50 мм; б - 300 мм Мал. 1 Змшення розподшу температури Т за шириною покриття Ь з часом I при виконанш другого шва при багатошаровому зварюванш в ССЬ

мають високу ошрнють змочуванню бризками розплавленого металу. Пщ час термодеструкци видшяються газопод1бш продукти (СО2, СО, Н2О, Ол) i сажеподЮна речовина.

Використовуючи його як модельне i прийнявши як параметри оптим1зац!1 термостшюсть покриття, тривюсть металу виробу, тривкчсть зцеплення покриття з поверхнями, що захищаються, схилыпсть покриття до пороутворення, стшкють горшия зварювально'1 дуги, суцшьшсть i piBHOMipHicTb шару покриття були дослщжеш pi3Hi мстодн xiMi4Ho'i дезинтеграшТ i механоактиваци речовин, яю мютять вуглець, у розчинниках i3 наступним коригуванням групових i элементних (атомним стввщношенням С/О) склад1в, молярноГ консистсшш i седиментащйно'] cxitiKOCxi i розроблений склад з оптималышм стввщношенням технолопчних i експлуахашйних характеристик. При цьому оптнм1защя рецептури захисного покриття, циклу його виготовлення базувалася на поступш М1Ж створенням умов, що миим1зуготь штенсивнють налипания бризок, що важко вилучити, i впливом на зварювальш-технолопчш показники.

Встановлено, що при сшввщношенш в захисному покрита бурого вуплля (наповнювач):лигносульфонату техшчного (сполучне)пзопропшового спирту i води (розчинники) = 14:7:49:30 забезпечусться ~ 100 %-ний захист основного металу при багатопрохщному зварюванш на жорстких режимах, оскшьки отримана структура покриття розподшяе подавану на не!' теплове навантаження М1ж функщоналышми вузлами пол1мерно\' cixKH.

Tep.MOxiMi4Hi перетворення в захисному покрита не е безупинним паралельно-послщовним процесом новоутворень, а проткають найбшьш штенсивно в температурному штервал1 200-500 °С (мал. 2).

Поведшку покриття при нагр1ванш ощнювали за допомогою дериватографу: покриття иагр1вали в режим1 програмування (швидюсть нагршання 5 i 20 град/хвил) до 1000 "С. Реестрували температурш залежносп втрати маси шт i теплов1 ефекти термодеструкци при нагр1ванш в ¡нертному ra3i (aproni) i в атмосфер! повнря. Нагр1вання в aproHi дае шформашю про власну термодеструкшю речовини захисного покриття, а експерименти в noeiTpi ¡М1тують реальш умови робота покриття в контакт! з бризкою. 3 мал. 2 видно, що при повшьному HarpiBaHHi (5 град/хвил, крив1 а, в) втрата маси мае повщьнний характер при загальшй BTpaxi маси ~ 40%. Встановлено три характерш температурних област1 руйнування:

- Область I - низькотемперэтурна ( ~ до 150 °С), зумовлена вшпленням ф13ично зв'язаноУ (абсорбовано!) води. Iimii летю1п речовини не видшяються.

- Область II - середньотемпературна (150 - 300 °С), в якш проходять процеси первинно! термодеструкци покриття. Основний летючий

компонент - вуглекислий газ, максимальна швидюсть видьпення якого вщповщае температур! 220-230 °С (крива в). - Область III - високотемпературна ( 300-1000 °С), в як!й у результата конденсащйних 1 полшервацшних пронеав формусться вторинний захисний шар з високою (до 2000 °С) термостайюстю. Його вихщ складае близько 60% вщ вихшноТ маси покриття. Летюч1 компонента в шй облает! представлен! газами ССЬ ! СО у сшввщношенш ~ 10:1.

■ О 200 -W0 600 SOO г,с

а, b - поведшка покриття в аргош (швидк!сть п!дйому температури 5 град/хвил); с, d - повед!нка покриття в аргош (швидкють п!дйому температури 20 град/хвил); е - поведшка покриття на noBnpi

Мал. 2 Дер1ватограма захненого покриття при Harpißanni

При бшын високш швидкоста нагр!вання (20 град/хвил, крив! с, d) характер роботи захисного покриття змшюеться. Основна втрата маси i максимальна швидюсть видшення СО? змщуеться в середиьотемпературну область (крива е). Bei основш пронеси (вид!лення Н:0, генерац!я С02 ! СО)

розвиваються при менших температурах, що випливае з пор1вняння кривих а, с i b, d. При наявност! киеня (крива е) режим термолва переходить у процее оксидеструкцп Головним продуктом стае СО:, СО вщсутшй.

При нагртанш покриття в зош контакту з бризкою генеруються гази, яю виконують роль пов1тряно1 подушки м1ж поверхнею, що захищаеться, та ро.зплавленими краплями, i забезпечують вщсутшсть контакту до тих nip, поки температура електродноТ бризки не досягне ~ 200 °С. Газоспроможшсть покриття при нагр1ванш вид юмнатноТ температуря до 200 °С складае 0,25-0,35 м3/кг, до 500 °С - 0,40-0,50 м3/кг. Причому, локальне видшення газ!в у зону контакту крашн з поверхнею, що захищаеться, прямо пропорщйно товщин! шару покриття, Maci i температур) крашп. Це дозволяе регулювати захисш властивост! i досягати повного захисного ефекту в залежноеп вщ засобу, режиму зварювання i кшькост1 npoxoflie. Вторинний захисний ефект пов'язаний з утворенням шару часток м1крокристаличного вуглецю з низькою адгезкю до noeepxHi, що захищаеться, й особливо важливий при багатопрохщному зваргованш.

Розроблене захисне покриття не потребуе попередньоТ пщготовки поверхш, наноситься ручним способом або розпилювачем, час висихання знаходиться в диапазон! 0,5-2,0 хв. При цьому утворюються гшвки з необхшними адгезшно-когезшними показниками i доброю криючою спроможшстю, як( не перешкоджають початковому збудженню зварювалыю'1 дуги, не впливають на яюсть металу шва при зварюванш на технолопчно рекомендованих режимах.

Розроблена промислова технолопя одержання захисного покриття, що вшр1зняеться еколопчною чистотою, без забруднення навколишнього середовища продуктами виробництва. Створена виробнича д!лянка з виготовлення цього захисного покриття на Краматорському завод! металоконструкшй потужшстю 20 т у piK.

Роздш 5. Промислова реал1зашя виконаних розробок.

Як показав виробничий досв1д, як1сне нанесения захисного покриття на поверхню основного металу е одшею з найважливплих операшй при шдготовш виробу пщ зварювання. Cnoci6 нанесення повинен забезпечити одержання piBHOMipHoro шару захисного покриття, мати достатньо високу продуктившсть i задоволышти необхщним вимогам ппени npaui.

Низька в'язюсть розробленого захисного покриття визначае можлив'|сть мехашзаци нанесення йога, на металев1 поверхш будь-якоТ форми. Принциповий ycTpifi розробленого для цього шструмента наведений на мал. 3.

Устрш для нанесення захисного покриття являе собою шстолет ежекторного типу, який працюе вщ мереж! стиснутого пов1тря тиском не

нижче 0,2 МПа. Пцдад стиснутого пов1тря ввдбуваеться через рукоятку 1 п¡столета, в якому по специальному каналу надходить у порожнину за золотником 2. Золотник щшьно притискаеться до сщла 4 пружиною 3. У цьому сташ подальший шлях пов^тря препинений. Вщкриття золотника проводиться системою важелш 5 1 6, сполучених штоком 7, натисканням на важшь 5. Слдло 4 мае внутршшй конус, що забезпечуе наростання швидкосп потоку пов1тря до розм1ру, при якому динамхчний тиск повггря на виход1 ¡з сщла нижче атмосферного. Таким чином, шд Д1ею атмосферного тиску рщина з невеличко'Г емкое™, яка або пщвшена на робочому м1сш, або знаходиться на пояс1 в робтшка, через шланг надходить у порожнину перед адлом 1 розпилюеться в дифузор1 8. ГБстолет влаштований таким чином, шо в момент вщкриття сщла дифузор закрит заслшкою 9, що забезпечуе продувания канал1в рщини I барботаж у емкость Для вщкриття дифузора достатньо дожати важшь 5. Продувания канал1в рщини забезпечуеться 1 по зашнченш роботи, тому що важьчьна система при опусканш важеля 5 закривае спочатку заслшку дифузора, 1 тЬтьки пот1м перекривае пов1тря.

1 - рукоятка; 2 - золотник; 3 - пружина; 4 - седло; 5,6- важел1; 7 -шток; 8 - дифузор; 9 - заслшка

Мал. 3 Устр1й для нанесения захисного покриття

2 К

"г

Пщвщ стиснутого П0В1ТрЯ

При цьому метод! утворюегься р1вном1рний за товшиною шар покриття, пщвищуеться мшшсть зцеплення покриття з поверхнею. В пор1внянш з нанесениям захисного покриття ручним засобом розпилення в 6-8 разш продуктивнее при зменшенш витрати речовини на 10-15%. Процес нанесення захисного покриття практично шлком пщдаеться автоматизацп.

Зварювання з застосуванням розробленого захисного покриття не спричиняе шыдливого впливу у пор1внянш 3i зварюванням без нього.

3 використанням цього захисного покриття були звареш 25 ферм, 30 балок коробчатого перетину, 70 колон. Загальна протяжшсть ишв 4125 м. Розроблене захисне покриття пройшло промислову апробацпо на Новокраматорському машинобудшному завод1 i мала позитивний результат. Його впровадження на Краматорському завод1 металоконструкщй дозволило одержати фактичний економ1чний ефект 36351 грн. (у uiHax 1999 р.).

ЗАГАЛЬШ ВИСНОВКИ

1. На ochobi системного пщходу до принцишв побудови захисних покритпв розроблеш теоретнчш передумови науково обгрунтованого i статистичне прогнозованого методу створення захисних композищй.

2. Запропоноваш основш критери, яю пред'являються до експлуатацшно-технолопчних властивостей захисних покритпв: висока термостшюсть в умовах тривалих температурних обурень, внесених у стан матер1алу .покритпв; максимальна тегшопровщшсть. яка забезпечуе ¡нтенсивне прогр1вання до температур повного термох1м1чного перетворення складових покриття з формуванням задано! структури новоутворень; ефективна газотворна спроможшсть, яка доз-воляе створювати демпф1руючий прошарок «¡ж бризками i поверхнею деталк максимальне зниження адгезн покриття до виробу до кшця зварювального циклу; нешюдливкть продуктов деструкцн.

3. Створет математичш модел1 тепяовоТ взаемоди складових системи «крапля -покриття - основний метал» на р1зних стадшх н ¡снування, об'еднаш в комп'ютерш системи дослйження i розрахунку, ям дозволяють розкрити мехашзм запобпання налипанию бризок розплавленого металу.

4. . Розроблеш склад i cnoci6 виготовлення захисного покриття на ochobi синтезованого шаруватого з'еднання графггу, интеркалфоваиого киснем, яке вщповщае основним принципам побудови захисних покритпв: висока газотворна спроможшсть при низьких 220-250 °С) температурах, спроможшсть структурувати'вуглицев1 новоутворення з низькою (до 0,001 г/см3) насипною густнною часток розм1ром < 1 мкм.

5. Використовуючи його як модельне i прийнявши як параметри оптим1зацн термостшюсть покриття, мщшсть зцеплення покриття з металевими поверхнями. схильшсть покриття до пороутворенню, стшюсть

' горшня зварювально! дуги, суцшьшсть 1 р1вном1ршсть шару покрнття розроблений склад з оптимальним сполученням технолопчних 1 експлуатацшних характеристик.

6. Оптим1зашя рецептури захисного покриття, циклу його виготовления здшснювалась з урахуваиням створення умов, ЯК1 мннишують штенсивнють налипания бризок, що важко вилумаються, 1 впливу на зварювально-технолопчш показники при дотримаши вимоги: експлуатацшш характеристики покриття аддитивно складаються з властивостей наповнювача 1 сполучного.

7. Встановивши критерн оштпзаци системи «склад - властивога», були досл1джеш р1зномаштш методи х1м1чноТ дезинтеграци 1 механоактивацн ■речовин, що мютять вуглець, у розчинниках ¡з иаступним коригуванням • групових I элементних (атомним сгпввщношенням С/О) склад1в, молярно!

консистенцп '1 сед1ментацшно1 стшкосп, що дозволило розробити високоефективне захисне покриття.

8. Встановлено, що при сгпввшношенш в захисному покритлт бурого вуплля (наповнювач) : л1гносульфонату техшчного (сполучне) : ¡зопропшового спирту 1 води (розчинники) = 14:7:49:30 забезпечуеться ~ 100 %-ний захист основного металу при багатопрохщному зварювант на жорстких режимах, оскшьки отримана структура покриття розподшяе подану на и теплове навантаження м1ж функщ'ональними вузлами пол1мерно1 СГГКИ.

9. Розроблеш кшьюсш методи оцшки:

— термостшкост1 захисного покриття (за илькютю крапель розплавленого металу, що не прилипли, 1 потрапили в саме ту точку покриття до його руйнування);

— мщшсть зцеплення покриггя з основним металом при р1зних температурних режимах впливу;

- схильност1 покриття до пороутворення;

- стажога горшня зварювальноТ дуги за товщиною покриггя, при якому горшня дуги не вщбуваеться.

10. Встановлено, що термох1м!чш перетворення в захисному покригп не е безупинним паралельно-послщовним процесом новоутворення, а прот1кають найбЬчьш ¡нтенсивно в температурному ¡нтервал1 200-500 "С. Газотворна спроможшсть покриття при нагр1ванш до 200 °С складае 0,25.0,35 м'/кг, до 5 00 "С - 0.40-0,50 м3/кг.

11.. Розроблене захисне покриття не потребуе попередньоУ пщготовки поверх1Й, наноситься ручним методом або розпилговачем, час висихання знаходиться в д1апазош 0,5-2,0 хв. При пьому утворюються шнвки з необхщними адгезшно-когезшними показниками 1 доброю криючою

спроможшстю, яю не перешкоджають початковому збудженню зварювалыюГ дуги, не впливають на яюсть металу шва при зварюванш на технолопчно рекомендованих режимах. 12. Впровадження розробленого захисного покриття дозволило одержати ' р!чний фактичний економ1чний ефект у сум1 36351 грн. (у шнах 1999 р.). Основний зипст дисертацп викладений в таких публ1кашях:

1. Чигарев В.В., Кассов В.Д., Шевченко И.В. Моделирование температурного поля нахлесточного соединения при сварке //Известия Академии инженерных наук Украины. Специальный выпуск отделения «Тяжелого и транспортного машиностроения»: Сб. науч. статей. - Днепропетровск,

1998. - С. 34-38.

2. Кассов В.Д., Шевченко И.В., Чигарев В.В. Повышение эфективности защиты металлических поверхностей от набрызгивания при сварке //Вестник Приазовского гостехуниверситета: Сб. науч. трудов. Мариуполь, 1998. - № 6. - С. 155-159.

3. Чигарев В.В., Кассов В.Д., Шевченко И.В. Методика выбора оптимального ' варианта инженерного решения на стадии ТЭО// Известия Академии

инженерных наук Украины. Специальный выпуск отделения «Тяжелого и транспортного машиностроения»: Сб. науч. статей. - Днепропетровск,

1999. - Выпуск 3. - С. 24-38.

4. Чигарев В.В., Шевченко И.В. Термодинамические аспекты взаимодействия защитного покрытия и брызг электродного металла // Известия Акаде.мии инженерных наук Украины. Специальный выпуск отделения «Тяжелого и транспортного машиностроения»: Сб. науч. статей. - Днепропетровск, 1999. - Выпуск 4. - С. 58-62.

5. Шевченко И.В., Кассов В.Д. Изменение размеров зон деструкции при многопроходной сварке с использованием защитных покрытий//Труды науч. конф. «Проблемы технологии, управления и экономики». — Ч. 2. -

■ Краматорск: ДГМА. - 1999. - С. 32-34.

6. Шевченко И.В. Принципы построения защитных покрытий//Труды науч. конф. «Проблемы технологии, управления и экономики». - Ч. 2. -Краматорск: ДГМА. - 1999. - С. 34.'

Аноташя

Шевченко И.В. Розробка технолопчних основ створення покриття захисту сталевих металоконструкцш вщ розплавлених електродних бризок. -Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.03.06 «Зварювання i спорщнеш технологи». - Приазовський державний техшчний ушверситет MinicTepcTBa осв1ти УкраТни, Mapiynonb, 2000 р.

Дисертащя присвячена питанию розвитку теоретичних i технолопчних основ створення покриття для захисту металоконструкцш в1д Тхнього ураження розплавленими бризками електродного металу.

Створеш математичш модел1 взаемод11 дослщжуваних npoueciB, яю об'еднаш в комп'ютерш системи розрахунку i прогнозування.

Запропоноваш ocHOBui критерп до властивостей захисних покритпв.

Розроблеш кшьюсш методи ощнки зварювально-технолопчних властивостей високоефективного захисного покриття, що розробляеться.

Розроблений склад, гехнолопя виготовлення i нанесения покриття на ochobi нетрадицшних матер1ал1В, яю мштять вуглець. Встановлене оптимальне сшввщношения компонешлв в покритп, яке забезпечуе 100% захист основного металу. При вибор1 компонеттв покриття прюритет в!ддавався сировинним ресурсам УкраТни. Розроблена промислова технолопя виготовлення захисного покриття, яка характеризуетьея еколопчною чистотою, без забруднення навколишнього середовища продуктами виробництва. Створена дшьниця по виготовленню покритов потужшстю 20 тон у piK. Застосування розробленого складу захисного покриття при зварюванш маловуглецевих i низьколегованих сталей дало можливють на 20 -25' % знизити трудом1сткють виготовлення вироб1в, пщвишити загальну культуру виробництва.

Ключов1 слова: захисне покриття, налипания бризок, матергали, що мктять вуглець, термодеформацшний цикл, контактна взаемод1я, математичне моделювання, експлуатацшно-технолопчш власгивосп.

Summary

Shevchenko I.V. Development of technological fundamentals coverage creation bases of steel metallic construction from molten electrode drips. -Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Sciences (Engineering) in speciality 05.03.06 - «Welding and Related Technologies». - Preazovsky State Technical University of Ministry of Education of Ukraine, Mariupol, 2000.

The thesis is devoted to question of development of theoretical and technological bases of coverage creation for defense of metallic construction from their stinging by molten drips of electrode metal.

The mathematical interaction model of investigated processes, which is joint into computer computation systems and prognostication, was created.

Offered basic criterions to properties of sheetings.

Developed quantitative estimation methods of welding-teclmological properties of hire effective sheeting, that develops.

Developed storage, making technology and blowing in coverage on base of. unconventional materials, which contain a carbon. Fixed optimum components correlation in coverage, which provides 100% defense of basic metal. Attached to coverage components choice priority gave up to raw Ukraine resources. Developed industrial making technology of sheeting, which characterizes by ecological cleanness, without contamination of nearby environment by production products. Created the site on making of coverages by power 20 tone into year. Application of developed storage of sheeting attached to welding low-carbon and low alloyed steels gave a possibility on 20-25 % to lower labour input of manufacturing of items, to raise a general production culture.

Key words: protective coating, balling drips, materials containing a carbon, heat deformation cycle, contact interaction, mathematical modeling, operationally-technological properties.

Аннотация

Шевченко И.В. Разработка технологических основ создания покрытия для защиты стальных металлоконструкций от расплавленных электродных брызг. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - «Сварка и родственные технологии». - Приазовский государственный технический университет Министерства образования Украины, Мариуполь, 2000 г.

Диссертация посвящена вопросу развития теоретических и технологических основ создания покрытий для защиты металлоконструкций от их поражения расплавленными брызгами электродного металла.

Набрызгивание расплавленных электродных капель в процессе сварки увеличивает трудоемкость изготовления сварных металлоконструкций и ухудшает их товарный вид. Предохранение металлических поверхностей от прилипания брызг предусматривает операцию предварительного нанесения защитных покрытий. Однако технологические и эксплуатационные недостатки известных составов защитных покрытий снижают эффективность их использования, а промышленный выпуск их в Украине не освоен.

Для повышения надежности защиты без ухудшения свойств сварного соединения и условий работы сварщика разработан системный подход к принципам создания защитный покрытий. Были созданы математические модели взаимодействия составляющих системы «капля - покрытие - основной металл» на различных стадиях ее существования, объединенные в компьютерные системы расчета и прогнозирования. Это позволило раскрыть механизм предотвращения налипания брызг.

Определены основные критерии, которым должны соответствовать эксплуатационно-технологические свойства защитных покрытий: высокая термостойкость в условиях длительных тепловых воздействий; максимальная теплопроводность; эффективная газотворная способность. Максимальная теплопроводность обеспечивает интенсивный прогрев до температур полного химического превращения материала покрытия. Эффективная газотворная способность позволяет создавать давление на каплю, превышающее силы, способствующий налипанию брызг на защитное покрытие. Количество газообразных выделений и давления газов со стороны покрытия на каплю определяется степенью прогрева защитного покрытия, типом и количество термически нестабильных продуктов в его составе.

Разработаны количественные методы оценки сварочно-гехнологических свойств разрабатываемых высокоэффективных защитных покрытий: термостойкости защитного покрытия (по количеству не прилипших капель расплавленного металла, попавших в одну и ту же точку покрытия до его разрушения);прочности сцепления покрытия с основным металлом при различных температурных режимах воздействия; склонности покрытия к порообразованию; устойчивости горения сварочной дуги по толщине покрытия, при котором горение дуги не происходит.

Выявлены основные зависимости, по которым выполнялся расчет ширины зон изменений покрытий при многопроходной сварке на различных режимах.

Разработан состав, технология изготовления и нанесения покрытия на основе нетрадиционных углеродсодержащих материалов. Установлено оптимальное соотношение ингредиентов в покрытии, которое обеспечивает ¡00% защиту основного металла. При выборе компонентов покрытия приоритет отдавался сырьевым ресурсам Украины. Разработанная промышленная технология получения защитного покрытия характеризуется экологической чистотой, без загрязнения окружающей среды продуктами производства. Создан участок по изготовлению покрытий мощностью 20 тонн в год. Применение разработанного состава защитного покрытия при сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей позволило на 20 - 25% снизить трудоемкость изготовления изделий, повысить общую культуру производства.

Ключевые слова: защитное покрытие, налипание брызг, углерод содержащие материалы, термодеформационный цикл, контактное взаимодействие, математическое моделирование, эксплуатационно-технологические свойства.