автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Теоретические основы технологии и средства снижения набрызгивания и уменьшения трудоемкости сварки в углекислом газе

^ сА

#

инистерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

На правах рукописи

Федько Валериан Тимофеевич

Теоретические основы технологии и средства снижения набрызгпвания и уменьшения трудоемкости сварки в углекислом газе

Специальность 05.03.01 - процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент Специальность 05.03.06 - технология и машины сварочного

производства

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 1998

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.И. Верещагин

доктор технических наук, профессор Н.Г. Дюргеров

доктор технических наук, профессор В.В. Марусин

Ведущая организация: ПО «Красмаш» г. Красноярск

Защита состоится «

»

и 1998 г. в Ю

часов на заседанв

диссертационного Совета Д 063.34.02 при Новосибирском государственно техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. Кар! Маркса, 20.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться библиотеке Новосибирского государственного технического университета. Диссертация в виде научного доклада разослана

« ¿0 » 09 1998 г

Ученый секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор

Г.С. Юрьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что наибольшая доля затрат при :варке в СО2 приходится на зарплату и сварочные материалы. Поэтому для почтения экономической эффективности сварки в С02 необходимо в первую >чередь снижать расходы по этим статьям. Это может быть достигнуто умень-пением сечения разделки и катета шва, уменьшением разбрызгивания, увели-¡ением коэффициента наплавки и скорости сварки, экономией расхода С02 и нижением стоимости защитного газа, уменьшением трудоемкости изготовле-1ия сварных конструкций, увеличением ресурса работы сварочной аппаратуры.

Сварка в углекислом газе является высокопроизводительным процессом, го имеет существенный недостаток, заключающийся в повышенном разбрыз-ивании металла, что ведет к сцеплению капель металла с поверхностью свари-1аемых деталей и элементов сварочной аппаратуры. Трудоемкость зачистки варных соединений от брызг весьма значительна и в некоторых случаях дос-игает 30-40% трудоемкости всего процесса сварки, а трудоемкость зачистки 1еталей сварочной аппаратуры составляет 10-15% от нее [1,2, 20,21, 25].

Процесс зачистки осуществляется ручными шлифовальными машинами и «бромолотками, уровни виброскоростей которых, как правило, превышают анитарные нормы, что приводит к виброболезни рабочих, занятых на этой шерации. Анализ заболеваемости виброболезнью рабочих показывает, что (редрасположенность их к этой болезни появляется через 7-8 лет ра'отьч л са-ia виброболезнь наступает уже к 10 годам работы [73].

Забрызгивакке газоподводяшего сопла горелки ухудшает заипту sonv :варки и приводит к образованию пор в металле шва. К тому же оно вызывает [ополнительньи: нагрев деталей сварочной горелки, что ведет к преждевре-генному выходу из строя сопел, изоляционных втулок и токоподводящпх 1ундштуков.

Решению указанной проблемы посвящены работы Б.Е. Патона, А.Г. По-апьевского, В Л. Лавршцева, И.И. Зарубы, Н.Г. Дюргерова, А.И. Акулова, В.К. 1ебедева, Н.Ф. Медведенко, A.M. Попкова, В.В. Степанова, Ю.Н. Сараева, К.Ф. Князькова, Н.М. Будкика, а также работы сотрудников кафедр сварки Че-'ябинского государственного политехнического университета, Уральского го~ ударственного политехнического университета, МГТУ им. Баумана и др. Ис-ледования по снижению разбрызгивания металла при сварке в углекислом газе ;едутся в двух направлениях. Первое направление заключается в выборе режи-юв сварки, уменьшении величины тока короткого замыкания за счет введения I систему "источник питания - электрическая дуга" индуктивного или активно-о сопротивления; в создании систем, обеспечивающих кратковременное снижение мощности взрыва жидкой перемычки между каплей и электродом в нагельный период горения дуги после короткого замыкания; в разработке и при-1енении новых сварочных материалов и приемов сварки; в окислении поверх-юсти брызг защитным газом.

Второе направление характеризуется использованием различных защит-

ных покрытий. Применение известных защитных покрытий и известными спо собами, сдерживается из - за высокой стоимости и низких технико экономических показателей; ухудшения санитарно-гигиенических условш труда; отсутствия конкретных рекомендаций по выбору состава защитных по крытий, оптимальной толщины слоя покрытия наносимого на поверхность де талей свариваемого изделия и сварочной аппаратуры.

Разработка указанных задач позволит решить актуальную проблему при менения высокопроизводительной сварки, а именно сварки в углекислом газе.

Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследо ваний разработать технологию и средства снижения набрызгивания на поверх ности свариваемых деталей и элементов сварочной аппаратуры, для этого не обходимо изучить механизм сцепления брызг металла с поверхностями указан ных деталей; исследовать влияние состава защитных покрытий на технологи ческие и электрические характеристики процесса сварки; разработать техноло гию приготовления и нанесения покрытий; создать методику расчета толщинь слоя защитного покрытия и его расхода с целью эффективного применена указанного способа сварки.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с помощью методов математической статистики, планирования многофакторногс эксперимента, апробированных методов математического анализа, эвристических методов (изобретения, патенты).

Часть задач решена численными методами на ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях и цехах завода, на экспериментальных образцах и серийно выпускаемых установках.

Научная новизна. Проведено теоретическое обобщение задачи о механизме сцепления брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия и узлами сварочной аппаратуры. Впервые разработаны математические модели теплового взаимодействия брызг расплавленного металла с поверхностями свариваемых деталей и уравнения, позволяющие определит! дальность и время полета брызг. Микроструктурным анализом установлена зависимость диаметра пятна межатомного взаимодействия капли и свариваемогс металла от температуры подогрева образца (в диапазоне температур от 150 дс 800°С) и состояния поверхности, а также установлена прочность сцепления капель от площади контактной поверхности.

Впервые определены параметры влияющие на прочность сцепления капель (брызг) со свариваемой поверхностью. Предложены математические модели, позволяющие оптимизировать указанные параметры с целью снижения трудоемкости при удалении капель.

Установлено, что сцепление брызг расплавленного металла с поверхностью деталей сварочной аппаратуры и свариваемых изделий происходит за счет механического сцепления с неровностями поверхности, физико-химического сцепления образующихся соединений типа шпинелей и приваривания, основанного на межатомном взаимодействии капли металла с поверхностью свариваемых изделий и деталей аппаратуры в месте контакта.

Показано влияние защитных покрытий на электрические и технологиче-кие показатели процесса сварки, технико-экономические и санитарно-

игиенические характеристики.

Разработаны новые составы защитных покрытий и эффективные техно-:огки их приготовления и нанесения, включающие покрытия на основе суль-штно-спиртовой барды следующего состава: 1) 20...40 г. мыла, 20...30 г. каль-(инированной соды и 50... 100 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 [. воды; 2) 25...45 г. мыла, 15...25 г. кальцинированной соды, 25...50 г. каолина [ 60... 110 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 л. воды. Разработайте составы обладают хорошими защитными свойствами, смачиваемостью и ермостойкостью и не оказывают влияния на механические свойства и химиче-кий состав металла шва.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Теорети-[еские и экспериментальные результаты работы доведены до конкретных фор-1ул и методик, удобных для проведения инженерных расчетов, результаты ко-орых могут быть использованы при выборе рациональной технологии изго-овления сварных конструкций с помощью сварки в углекислом газе с приме-гением защитных покрытий; а так же при оптимизации конструкции отсекате-[я в системе подачи газа в зону сварки.

Разработаны методики: определения толщины слоя, наносимого на по-1ерхность и нормирования расхода материала покрытий в зависимости от режимов сварки; нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии: >асчета экономической" эффективности с учетом применения защитных покоы ий; расчета стабилизированного режима подачи газа в зону сварки; р&*работ :и нового состава покрытия.

Разработаны и внедрены эффективные средства, снижающие трудоемки» процесса сварки в углекислом газе, такие как устройство для сборки ре-ервуаров из обечаек; установка для сварки; токопроводящие наконечники к 'орелкам; станки для очистки и намотки сварочной проволоки.

Разработана и внедрена технология изготовления и применения захцитно-

0 покрытия и средств, обеспечивающих процесс сварки, причем на несколь-:их сварочных пост ах одновременно.

Предложен метод расчета ожидаемой продолжительности работы горелая до момента очистки ее от брызг в зависимости от режимов сварки и диамет->а сопла горелки.

По результатам исследований разработаны два стандарта предприятия, а инструкции средств, обеспечивающих разработанный процесс сварки, защи-цены 17 авторскими свидетельствами и патентами.

Результаты работы широко внедрены на Днепропетровском опытном за-юде полимерного машиностроения, Славгородском химическом заводе Алтай-:кого края, заводе «Кузбассэлектромотор» (г. Кемерово) и др.

Внедрение результатов работы в ПО "ЮМЗ" дало экономический эффект юлее 400 тыс. рублей (цены на 1990 г.) и социальный эффект, заключающийся

1 снижении заболеваемости рабочих виброболезнью.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: I научно-технической конференции молодых специалистов Юргинского машиностроительного завода (1969), III областной научно-технической конференции "Внедрение новых методов обработки в машиностроении Кузбасса" (Кемерово, 1970), XXVII научно-технической конференции Челябинского политехнического института (1974), областном семинаре секции сварочного производства НТО Машпром (Кемерово, 1974) и обсуждались на семинарах ЧПИ, УПИ, КПИ и Института электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в 1977-1979 гг., III научно-методической конференции ММФ ТПИ (Томск, 1990), на Первой совместной российско-американской деловой конференции, посвященной проблемам науки, технологии и конверсии военной промышленности (США, Нью-Йорк, Международный институт материалов и технологий, 1994), IX научно-практической конференции(Юрга, 1996), 3-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1997), Российской научно-практической конференции "Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования" (Юрга, 1997), X научной конференции, посвященной 40-летию Юргинского филиала Томского Политехнического Университета, "Технология и оборудование машиностроительных производств" (Юрга, 1997). Переведены издательством Великобритании и вошли в международный сборник "Welding International" статьи "Влияние термостойкости покрытий на эффективность защиты поверхности свариваемых изделий от брызг (капель) расплавленного металла", "Исследование смачивания защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий", "Механизм сцепления брызг (капель) с поверхностью свариваемого металла" и "Методика определения толщины покрытия для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного металла".

Практические разработки: держатель, металлокерамическая изоляционная втулка к горелкам для сварки в СОг, механический диафрагменный отсека-тель газа, механизм (приставка) автоматического регулирования вылета электродной проволоки, устройство для сборки под сварку, горелка для аргоно -дуговой сварки, эмульсия для защиты поверхности свариваемых изделий и сварочных горелок от брызг расплавленного металла при сварке в С02 экспонировались на ВДНХ СССР. Механизм (приставка) автоматического регулирования вылета электродной проволоки, держатель для сварки в углекислом газе, металлокерамическая изоляционная втулка удостоены бронзовой и серебряной медали.

Публикации. В диссертации обобщены результаты научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии автора в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя в период с 1968 по 1997 гг. в области разработки теоретических основ, технологии и средств снижения набрызгивания и уменьшения трудоемкости работ сварки в СОг-

Всего по теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 105 работ, из которых 25 в центральных и международных изданиях, получено

7 авторских свидетельств и патентов. В конце автореферата приведен список '4 публикаций, в которых отражено основное содержание работы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- механизм сцепления брызг расплавленного металла с поверхностями вариваемых деталей;

- параметры , влияющие на прочность сцепления брызг с поверхностями вариваемого металла и способы уменьшения указанной прочности;

- защитные покрытия и требования к их характеристикам;

- влияние защитных покрытий на электрические и технологические ха-:актеристики процесса сварки;

- методика разработки состава защитного покрытия и рекомендации по то изготовлению и применению;

- методика расчета требуемой толщины покрытия и его расхода в зави-имости от режимов сварки;

- методика расчета средств сварки, обеспечивающих минимальную тру-(оемкость изготовления сварных соединений;

- способ повышения технико-экономических показателей процесса варки и методика расчета этих показателей и санитарно-гигиенических харак-еристик.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Наиболее эффективным и дешевым способом предотвращения набрьпг'/-юния является нанесение защитных покрытий, состав которых подбирают эмпирически [21]. В предлагаемой работе изучен механизм сцепления хал ель «сплавленного металла с поверхностью свариваемой детали, определены пч->аметры, характеризующие прочность сцепления капель с поверхностью сва-шваемого металла, найдены компоненты, входящие в состав защитных покрыто} и установлено влияние защитных покрытий ка электрические и технолопь геские характеристики процесса сварки, технологические свойства защитных юкрытий, нормирование их расхода и разработана методика определения •олщины слоя, наносимого на поверхность свариваемого изделия, исследованы •ехнико-экономические и санитарно-гигиенические характеристики сварки в Юг с применением защитных покрытий, разработаны эффективные средства, ;нижающие трудоемкость изготовления сварных изделий при дуговой сварке в тлекислом газе, способ приготовления и нанесения защитных покрытий на юверхность свариваемых изделий.

1. Механизм сцепления брызг (капель) с поверхностью свг риваемого металла при сварке в С02

1.1. Формообразование и теплообмен брызг (капель) расплавлеиног металла в процессе сварки в С02 [1,2,20,33]

Известно, что при сварке в защитных газах наблюдается разбрызгивани брызг разных размеров [3, 21]. Под действием сил поверхностного натяжени капля приобретает сферическую форму. Рассмотрим движение капель диамет ром ¿£=1,0...4,0 мм, как наиболее трудно удаляемых с поверхности изделий. I процессе полета капля охлаждается, чему способствуют три одновремешл протекающих процесса: теплопроводность, конвекция и излучение. В даннои случае достаточно рассмотреть изменение энергии капли за счет конвекции ] излучения.

Ввиду малых размеров капли и наличия пленки окислов на ее поверхно ста температуру капли в любой момент времени можно считать одинаковой п< всему объему.

Известны работы по определению температуры капель расплавленной электродного металла в начальный момент их отрыва от торца электрода, однако методики изложенные в них не позволяют определять температуру капел! в момент их контакта с поверхностью свариваемого изделия. Калориметрический метод невозможно использовать из-за неуправляемости процесса разбрызгивания. Поэтому сделана попытка ориентировочно расчетным методом определить температуру капель в момент их контакта с поверхностью свариваемого изделия. После соответствующих преобразований, известных из курса теплофизики, уравнений теплообмена за счет конвекции в течение времени ¿Л получена следующая зависимость температуры капли Гк от времени V.

где е - коэффициент черноты; <т = 5,67-10" Вт/(м-К) — постоянная Стефа-Я

на-Больцмана; д = —5— - коэффициент температуропроводности металла

капли, м/с; Л* — коэффициенты теплопроводности воздушной среды и капли соответственно, Вт/(м-К); Лгм=2а7Лс - критерий Нуссельта; - диаметр капли, м; Ск - теплоемкость металла капли, Дж/(кг-К); - плотность материала капли, кг/м3.

Наибольшее количество капель вылетает из зоны сварки под углом 45° к поверхности свариваемой детали. Мелкие капли (диаметром ~0,02 мм) вылетают из зоны сварки с большой скоростью (~40 м/с). Угол между направлением их полета и перпендикуляром к поверхности свариваемой детали обычно не превышает 25°. Более крупные капли летят с меньшей скоростью (И=1 м/с),

1

18акШ Хс ^ еа-с1 з а2 лк ; ЛсАГи

(1)

к п ~

СкРк

меют больший угол разлета и падают на расстояние <120 мм от оси сварного пва. Для определения начальной температуры капель, отделившихся от элек-рода, воспользуемся результатами исследования температуры капель, выпол-генных И. К. Походней и А. М. Суптелем.

Рассмотрим охлаждение капли в процессе ее полета до момента контакта : поверхностью детали. Так как капли диаметром 1,0...4,0 мм движутся с небольшой скоростью, то в уравнении движения членом, учитывающим сопро-ивление воздушной среды, можно пренебречь. Исхода го схемы, описываго-цей процесс разбрызгивания капель при сварке в С02, дальность полета капель южно определить из выражения [33]:

Vq • sin( 2 /?)

i ---—, пл

g \-j

де V0 - начальная скорость вылета капли из зоны сварки, м/с; /?— угол выле-а капли из зоны сварки, град; g = 9,8 м/с" - ускорение свободного падения, а ремя полета

t - 2V* "Sin( ^ f2' 1а(й\-

'пол = -=J—-tgKP) П\

s Ms (3)

Подставляя эти значения в уравнение (I), получим выражение для опре-еления температуры капли в момент контакта с поверхностью свариваемой етали

1

„ и ^ ГГТ-3 , s-cr-d) (liaKNv лс ¡2T~Z} £-vdT: m

IK ¿c-kuj V d- Ax Vg J л^и \

Результаты расчета, выполненные по уравнению (4), показываю с, что кали диамегром 5,0...4,0 мм за время своего полета остывают незначительно^;« емператур 2833-^-3073 °К [33]). Так. например, капля диаметром 2 мм при па-снии па-ргсстоянис 150 мм от оси сварного шва охлаждается всею на 373 X. ^апли диаметром >1 мм в момент контакта с поверхностью свариваемой дета-и находятся в жидком состоянии.

Соударение капли со свариваемой деталью вызывает деформацию по-педней (см. рис.1) и способствует их физическому контакту. В зоне соударе-ия возникает давление Р, которое является составляющей напорного давления „ (или динамической составляющей) и ударного давления Ру, возникающего следствие эффекта гидравлического удара.

Кинограммы удара жидких капель о твердую поверхность, показывают, го в первый момент соударения в месте контакта с деталью жидкость ynpyi о гформируется. Только через промежуток времени ty~dg/c (с — скорость звука расплаве, м/с), равный 0,1 мке для мелких и 1,0 мке для крупных и достаточ-ьш для достижения фронтом ударной волны (движущейся от места ее столк-эвения с деталью) свободной поверхности капли, в месте удара образуется жкий плоский слой жидкости растекающейся капли, вызванный ее упругим катаем. Далее капля деформируется равномерно. Максимальное ударное дав-;ние можно оценить, используя выражение из курса аэродинамики

Py=f-p0V

(5)

где ц - коэффициент жесткости капли, который учитывает релаксацию ную способность жидкости капли в зависимости от ее скорости и формы; р плотность расплава, кг/м3; V- скорость движения капли в момент удара, м/с.

Результаты расчетов, выполненных для данного случая, показывают, чт ударное давление различно для капель разного диаметра и составляет 300 МП для мелких капель и 10 МПа для крупных. Рассчитанное по уравнению Бе|

нулли Рн = р • V , напорное давление капли составляет 10 МПа для мелки капель и 7 МПа для крупных.

Рис. 1. График распределения температуры в системе в различные момент, времени (i/<?//<W- h(t; г) — высота подвижного фронта кристаллизации на ра< стоянии г от оси капли в различное время; H(t; г) — высота свободной повер> ности жидкости

Если высота капли на ее оси за время деформации равномерно уменыпа ется от d до h со скоростью К движения капли в момент удара, то длителыюст] действия напорного давления будет определяться временем ее деформацш

( - d и составит 10 мкс для мелких и 4 мкс для крупных капель. в V

Большое ударное давление способствует очистке поверхности детали i месте удара и приводит материал капли и детали в физический контакт. На^ порное же давление, действующее на протяжении всего времени деформации v затвердевания капли, за счет своей длительности способствует увеличении степени сцепления материала каппи с материалом детали.

1.2. Тепловое взаимодействие капель (брызг) расплавленного металла с поверхностью свариваемых деталей при сварке в С02 [1,2,27].

Для анализа физико-химического взаимодействия капли с поверхностью детали необходимо было установить контактную температуру Тю время теплового взаимодействия капли с деталью до момента затвердевания /3, высоту затвердевшей капли h3 и краевой угол в, характеризующий степень смачивания каплей поверхности детали.

Подобная задача решена для частиц, напыленных на твердую поверх-юсть, с учетом фазового перехода контакгируемых материалов. Эта методика изложена в основу теоретических и экспериментальных исследований. При >ешении данной задачи было принято, что капля приваривается к поверхности гетали, когда контактная температура выше температуры плавления контакти->ующих материалов (Гк>7'пл), и сцепляется с нею, когда Тк<Тт.

При ударе капли о поверхность детали кинетическая энергия движения ¡ызывает деформацию капли. Одновременно с растеканием капли по поверх-юсти от более холодной части детали движется фронт кристаллизации. Деформация капли заканчивается тогда, когда фронт кристаллизации встречается

0 свободной поверхностью капли (То — температура твердой поверхности вариваемого металла).

Ввиду сложности процессов деформации и теплообмена каши с деталью ти взаимосвязаиные явления рассмотрены раздельно.

Показано, что в момент удара капли о поверхность детали в зоне контак-а устанавливается контактная температура, равная:

Тк = Гд0 + (гш - Гдо (6)

де Гдо - начальная температура детали; Тт - температура плавления капли; _ / д - критерий тепловой активности материала затвердевшей

ля Vе»

асти капли ло отношению к материалу детали (Л,к,л3 и йзк, а3 • коэффициенту еплопроводности и температуропроводности материала затвердевшей капли ■■ ,етати соответственно); а - корень уравнения:

1 а ^

.г- / ?\ ехр\-а" --'-'•-]

1 bSOL - h _г (t )-Г 1 К __^__^J.'

1 „ V П.1 1 до f rl \ l1 К V ПОЛ ) 1 ПЛ 1 1С , ,---л 1'7Ч|

K,+erf{a) ja 34 j I ^

ej*/ a J, I

v У ;

де L - удельная теплота затвердевания, Дж; «:1К - теплоемкость затвердевшей асти капли; ак - коэффициент температуропроводности расплавленной капли;

. ^ к Iа зк - критерий тепловой активности оасплавленного металла кап-

1 к - л1 —

Л Зк V " к

и относительно затвердевшего (Я*, Я» - коэффициенты теплопроводности ма-ериала расплавленной и затвердевшей капли соответственно); Tx(tm,,) - темпе-атура капли в момент контакта с деталью, зависящая от диаметра капли d и

альности ее полета , т.е. температура, до которой охладилась капля за время ее олета /поя из зоны сварки к поверхности детали.

Высота фронта затвердевшей части капли в любой момент времени опре-еляется выражением

h(t)=2a-ja3K-t. (8)

Для сильно перегретых капель (для которых преобразуя уравне-

ие Лапласа, получили выражение для Тк до начала затвердевания

Г =Г„„ + £

s

к хдо , ч2 L к\ ПОЛ/ ЛД0.|

{Ке+\у и=О w-K. у

(9)

где # = I "д — критерии тепловой активности капли относительно д

тали; £ _ ~ * - безразмерная константа; hc - высота свободной поверхн« К£ +1

сти капли.

Из выражения (9) следует, что в момент контакта сильно перегретой кш ли с деталью устанавливается контактная температура

—¡--[гЖол )-Гдо]-

За время теплового взаимодействия материалов капли и свариваемой д< тали принято время затвердевания капли Для капель, характеризующихс коэффициентом а>0, t3 можно вычислить, зная скорость и высоту свободно

поверхности капли, деформированной в результате удара:

* - •

(П)

При расчете степени привариваемости капли к детали определялись Тк коэффициент а по уравнениям (8}-{11) с помощью ПЭВМ для стали СтЗ (прс волока Св-08Г2С ГОСТ 2246 - 85). Отрицательные коэффициенты а соотве! ствуют условию Тк > Г™, что свидетельствует о подплавлении детали под жщ кой каплей и приваривании последней к детали.

После затвердевания Тк и температура капли быстро снижаются ввид интенсивного перехода тепла от капли в деталь до полного выравнивания тем пературы свариваемого изделия. Изменение Тк при затвердевании жидкой кап ли в зависимости от начальной температуры свариваемой детали рассчитывал) по формуле (9). Как видно на рис. 2, в течение определенного времени пере, началом затвердевания Тк остается постоянной. С повышением Гдо этот перио, увеличивается.

Для определения h3 изучалась деформация капли расплавленного металл; при соударении с поверхностью детали. Установлено, что в процессе затверде вания h3 уменьшается, а площадь контакта капель с поверхностью свариваемо] детали и усилие их среза возрастают с увеличением диаметра капли.

Согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия диижущейс: капли в результате соударения расходуется на изменение поверхностной и по тенциальной энергии капли в поле тяготения и на кинетическую энергию е< растекания.

Для крупных сильно перегретых капель достаточно рассмотреть устано вившуюся форму их поверхности, пренебрегая кинетикой растекания. Формул} для определения энергии системы "покоящаяся капля - поверхность детали' можно записать в следующем виде:

о

(°"П-СГ10) + СГ20

2 а2

¿г.

(12)

где К - радиус зоны контакта капля-деталь; г - переменная интегрирова-ия; Я) - высота капли; а2о, <?п, - коэффициенты поверхностного натя-:ения на границе раздела расплавленный металл-воздух, расплавленный ме-злл-твердое тело, твердое тело-воздух, соответственно; а2 - безразмерный ко-ффициент, равный ац/рз (0,003 для данного случая).

т.гс

)500

500

1 1

г V

\ V \ 4 \

1 23

Рис. 2. Кривые изменения Тк во времени после затвердевания жидкой капли: 1—3 - Гд0 соответственно равна 0, 100 и 200°С

0 2 4 6 8 Ь, с

Равновесная форма капли соответствует минимальной свободной энергии истемы при фиксированном расстоянии К от центра до переднего фронта кап-и и условии постоянства ее объема, т.е.:

1Г 7 ! п\ 1

-—= \гп\г,Р,)аг. ¡13)

2 пр 5

Из уравнения Эйлера-Лагранжа для ф/нюшонала лолученс» урапнснне

Ч^ОТ^Д К'ЧПИ

ш 10{К/а)~ 1

# = ■

г~(к/а) '

(14)

ЯрК' 12\1

де 1(£х) и /2(х) — модифицированные функции Бесселя 1-го рода 1-го и 2-го орядка от мнимого аргумента.

Капля, находящаяся па горизонтальной поверхности, характеризуется авновесным краевым углом во, согласно правилу Неймана определяемым по юрмуле

СО80О=(СТ1О-С21)/£Т2О. 05)

Тангенс краевого угла определяется из соотношения

= - /о (Я/а)/12(К/а)]. (1б)

2 жра К 4 '

Радиус растекания жидкой капли можно однозначно выразить через раевой угол и, используя выражение (15), через физические характеристики онтактирующих сред.

Таким образом, получены две основные расчетные величины Н и в0, о; нозначно определяющие форму капли после затвердевания.

1.3. Механизм и кинетика физико-химического взаимодействия кг пель (брызг) с поверхностью свариваемого изделия при сварке в С02

Механизм и кинетику физико-химического взаимодействия капли с пс верхностью свариваемого металла, используя методику В.В. Кудинова, можн условно разделить на три последовательные стадии: 1) сближение соедшш мых веществ (образование физического контакта); 2) активацию контактны поверхностей и химическое взаимодействие материалов на границе раздел фаз; 3) объемное развитие взаимодействия. Рассмотрим процесс образовали соединения капли жидкого металла и поверхности изделия как химическую р< акцию на границе раздела фаз, вступивших в физический контакт вследстви деформации и растекания капель.

Кинетическое уравнение скорости реакции выражается, как

= {Щ -х)кех{

dt

Mal ( S]

ехо

Л к;

(17)

где N0 — количество атомов на поверхности свариваемого изделия или каши находящихся в физическом контакте; V — частота собственных колебани атомов; Еа — энергия активации процесса образования прочного соединения; — колебательная и конфигурационная энтропия активации в зоне химическог взаимодействия; Тк — абсолютная температура контакта; к — постоянна Больцмана.

В случае сварки металлов, имеющих кристаллическую структуру тиг шаровых упаковок (в первую очередь ГЦК и ГП с координационным число 12), энтропия мала, поэтому энтропийный член можно принять равным 1 уравнение (17) приводится к виду:

dx ~dt

= (N0 - exp

zb

kTv

(IB)

После интегрирования выражения (18) при ^сош! и подстановки (*=( х=0; /=/, х=И) получим длительность реакции, в течение которой прореагируе Анатомов:

" Ь'о-^ \кТ%) V , N.

ехг

Е.

о J

кТъ

(19)

к /

Развитие реакции на границе взаимодействия фаз (т.е. в зоне контакл капли с деталью Dm) можно определить по относительной прочности сцеп® ния:

o{t) N{t)

СГп, JVn

де а(1) — прочность, достигнутая за время /; ат — максимальная прочность, оторую можно получить при завершении процесса; N(0 — количество атомов :з числа N0, прореагировавших за время /.

При сварке в СОг взаимодействие в контакте жидкая капля — твердая оверхность свариваемой детали происходит при температуре Тк. Ввиду огра-иченной длительности взаимодействия капель (2-10"3...1СГ6) и незначительно-ти их размеров (до 4000 мкм) какие-либо измерения этой температуры крайне атруднены. Поэтому Тк определены, исходя из решения задачи об изменении емпературы в контакте твердое тело — жидкая капля. Температура в контакте к лежит между температурой детали Т2 и температурой капли Т/ (Т/>ТК>Т2).

Расчеты выявили, что для большинства размеров капель Тк выше темпе-атуры плавления обоих материалов (сварочной проволоки, например Св— '8Г2С, я свариваемой детали, например СтЗ), поэтому происходит гадплавление поверхности детали в месте контакта и капля прочно сцепляется

П0С-гК5Ж1!юдставить в выражение (19) V = 1013 с'1 и считать, что при Т'2 всту-[ает в реакцию 70 % атомов поверхности контактирующих материалов, то поучается

Е&*кТк(\п/0+ЗС). (21)

Этим методом была определена энергия активации Ег капель поверхно-ти свариваемых деталей. По расчетным данным построены графические ззви-имости энергии активаций капель поверхности свариваемых изделий в зазп-пмости ох времени их затвердевании и контактной температуры.

1.4. Исследование механизма еиепдения брызг с поверхностью

мбтзлли ^ I

Мелкие брызги за счет сил механического сцепления с поверхностью сла-ю удерживаются на кромках и легко удаляются с Неё. Брызги диаметром от 1,0 ш и выше, как правило, прочно удерживаются на чистых кромках деталей и щя их удаления требуется применение значительных усилий.

Известно, что при температуре 993 К на поверхности металла соотнопте-ше между РгОз, Ре304 и РеО соответствует 1:5:100. Следовательно, ка поверх-гости брызг, температура которых на начальный момент отрыва от электрода юстигает около 2900 К, окисная пленка брызг, в основном, состоит из РеО.

В момент контакта брызг с поверхностью металла происходит оплавление жнсной пленки и образование шпинели. Кристаллизующиеся в расплаве Шпигели достраивают кубическую решетку окисной пленки брызги, состоящей из ¡юстита РеО, благодаря чему она сцепляется с поверхностью. При удалении >'рызг они, как правило, отрываются вместе с окисной пленкой от поверхности :вариваемых изделий. При изучении сцепления крупных брызг было обнару-кено частичное сплавление с поверхностью изделия. Следовательно, сплавле-ше брызг с металлом происходит только после удаления с участка контакта жисных пленок. Затраты энергии на удаление пленок определяются их энерги-

ей активации.

Под активацией поверхности следует понимать сообщение поверхнос: ным атомам твердого тела некоторой энергии (энергии активации), необходо мой для обрыва связей между поверхностными атомами твердого тела и ат< мами внешней среды, насыщающими их свободные связи (очистка поверхн< ста).

Процесс сцепления (приваривания) брызг расплавленного металла с п< верхностью свариваемого изделия и сварочной аппаратурой, т.е. образована соединения, определяется энергией активации, которую необходимо затратит: для того чтобы появился физический и химический контакт между частями м( таллических поверхностей. Сцепление брызг при сварке в С02 можно рассмо-реть по известной схеме Леннардо - Джонса, применяемой для анализа явледа схватывания при сварке в твердом состоянии. Исходя из этой схемы величит энергии активации при сцеплении брызг должна зависеть от толщины плене на поверхности раздела брызги и металла. Поэтому окислы и карбиды на п< верхности как брызги, так и свариваемого металла, должны увеличивать эне{ гию активации.

Чем выше энергия активации, тем меньше вероятность того, что появитс чисто металлический контакт, и тем меньше вероятность приваривания брыз При наличии на поверхности деталей толстых химических пленок, металлич< ский контакт между брызгой и деталью может не образоваться, при этом н; блюдается механическое сцепление брызги с деталью.

Экспериментами, выполненными автором, установлено, что прочное сц< пление жидких капель (брызг) с поверхностью свариваемых деталей также с; щественно зависит от характера обработки поверхности. Очистка кромок св! риваемых деталей наждачным кругом и пескоструйной обработкой приводит образованию высоких и острых выступов. При попадании на деталь капля ко1 тактирует с большим количеством выступов, чем на не зачищенной детал; Помимо этого, высокие выступы нагреваются до более высокой температур вследствие теплонасыщения.

Для подтверждения теоретических предпосылок сцепления брызг был выполнены эксперименты по наплавке в СОг проволокой Св-08Г2С (ГОС 2246-85) диаметром 1,6 мм образцов из сталей Ст 3 и 09Г2С в состоянии п< ставки и зачищенных наждачным кругом и в пескоструйной камере. Результ; ты полученных экспериментальных данных приведены на рис. 3. Из рисуш видно, что процент трудноудашшых брызг от их общего количества достига< для поверхности, зачищенной наждачным кругом, около 73%, для поверхност отпескоструенной - 67% и для поверхности в состоянии поставки - 47%.

Металлографическим анализом установлено, что в случае очистки ная дачным кругом суммарная площадь сцепления с деталью приварившихся бры: составляет (0,75) Д, где Д - диаметр контакта капли с поверхностью образца.

Для отпескоструенной поверхности соответственно (0,5) Див состоят поставки (0,25) Д.

Следовательно, имеющиеся на поверхности образцов в состоянии поста:

и адсорбированные продукты, связанные с поверхностными атомами относи-ельно слабыми связями, например кислород, и окислы на поверхности метала, а также жиры, масла, пыль и т.п., препятствуют образованию физического онтакта между каплей и поверхностью металла, увеличивая, тем самым, энер-ию активации поверхности.

Рис. 3. Зависимость количества труд-ноудалимых брызг от /СЕ для поверхности образца, зачищенной наждачным кругом (/), прошедшей пескоструйную обработку (2) и в состоянии поставит (3)

200 250 300 330 400 450 1св,А

Исследование процесса сцепления брызг с поверхностью металла, предва-ительно нагреваемой до все более высокой температуры, показало, что при том происходит увеличение диаметра Дх сцепляемых брызг с поверхностью геталла и увеличение прочности сцепления. Наихудшим вариантом является цепление брызг по всей площади контакта Дх/Д = 1 (Дх - диаметр физико-имического взаимодействия капли с поверхностью свариваемого металла).

По результатам обработки экспериментальных данных построены графк-еские зависимости (рис. 4 и 5).

Анализ теоретических и экспериментальных данных позволил установить, го возможность сцепления (сплавления) брызг с поверхностью свариваемого зделия ii сварочной горелки определяется следующими факторами: природой [атериалов, величиной энергии активации, шероховатостью поверхности и те-лосодержанием.

Следовательно, при прочих равных условиях уменьшить Дх сцепления рызг с поверхностью можно за счет увеличения энергии активации поверхно-ти металла, например, посредством нанесения на нее защитных покрытий.

При попадании капли на слой покрытия происходит затрата тепла на раз-ожение и испарение покрытия с образованием ларов и газов, которые оттал-ивают каплю от детали, препятствуя длительному контакту капли с поверхно-тью в одном месте. Капля перемешается по пластине, что хорошо видно по ледам оплавленных покрытий и загрязнений. В подтверждение изложенного ыл проведен эксперимент по сжиганию покрытий с целью установления объ-ма выделившихся газов и паров одного грамма вещества покрытий.

Навеска вещества в 0,2 г сжигалась при 1000 ... 1100 °С в печи Марса, со-диненной с прибором - кальциметром, где определялся объем выделявшихся азов. Усредненный по результатам 10 опытов объем газов, выделившихся при горании различных покрытий, приведен в табл. 1.

Установлено, что наибольшее количество газов и паров выделяют разработанные автором покрытия - эмульсии (по A.c. № 239013 и A.c. 923784), КБЖ

и АД. Скоростная киносъемка процесса сварки подтверждает, что именно т покрытия, которые выделяют большое количество газов, обеспечивают миш мум приваривания брызг.

мф о,а

0,6

т

о

Рис. 4. Зависимость диаметра пятна Рис. 5. Зависимость прочно-

межатомного взаимодействия капли и ста сцепления капель от

свариваемого металла от температуры площади контактной по-

подогрева Т„ образца и состояния по- верхности (обозначения —

верхности (обозначения — см. рис. 3) см. рис. 3.)

Таблица

Объем газов, выделившихся при сгорании различных покрытий

Тип покрытия Эмульсия по а. с. №239013 МВ МЖС ЦЖС АД КБЖ ЦПР

Объем газов, мл 800 85 50 60 225 560 75

2. Параметры определяющие прочность сцепления капель ( поверхностью свариваемого металла

2.1. Исследование температурных полей капель (брызг) расплавлен ного металла в месте контакта их с поверхностью свариваемого металла

[1,41,48,49]

Приращение температуры в точке контакта капли можно представить ка распространение теплоты от мгновенного точечного источника теплоты на пс верхность полубесконечного тела с условием, что теплота в течение времени I = 11(4ак) распространяется только по поверхности тела, а затем и по поверхне ста, и в глубину в направлении оси 01. Такой процесс выражается следующи уравнением:

I. 4 ак )

20 е У 4ак-> е4а1 (22)

А Г = ——---?-—

I. ;

1е /(Г - приращение температуры в рассматриваемой точке, °С; О - теплота, □держащаяся в капле в месте контакта с поверхностью свариваемого металла »нталышя АН), Дж; су - произведение теплоемкости на плотность материала апли, Дж; Клж - коэффициент, равный 4,19; /?к - радиальное расстояние от рас-иатривасмой точки до оси отпечатка капли (радиус отпечатка капли), см; а -оэффициент температуропроводности, см2/с; ( - время, отсчитываемое с мо-ента введения теплоты, с; г - глубина, на которую распространяется теплота толщина свариваемого металла), см; к - коэффициент сосредоточснностт? теп-ового потока капли, равный (3,46/г/к)2 (¿4 - диаметр рассматриваемой капли, м).

Энтальпия капли 0 в момент контакта неизвестна, так как в момент от-ыва ее с электрода количество теплоты, содержащейся в капле максимально, а полете часть ее теряется на теплоотдачу в окружающую среду.

В процессе движения капля утрачивает часть теплоты на лучистую и онвективную теплоотдачу. Удельный поток полной теплоотдачи и коэффици-нт полной поверхностной теплоотдачи капли а зависит от формы к размеров оверхносш, отдающей тепло, ее положения в пространстве, физических войств тегстоотдагощей поверхности капли и свойств окружающей среды, рад ости температур. Установлено; что коэффициент полной поверхностной тсн-оотдзчн капли а=0, и поэтому, и удельный поток полной теплоотдачи также авен нулю.

После соответствующих преобразований уравнений [1] и определения оэффициента полной поверхностной теплоотдачи капли имеем конечное равнение для определения теплоотдачи капель в свариваемый металл в месте х контакта:

4а| *' 1 ^ -*2

а г+-

. 0,48• Iи 7 е ^ 4ак) е4а< (23) АТ =----т-—г-- .-=-•

4тт. г ч—-- I ^

4 т\ (+ -V 4а£,

По уравнению (23) выполнены расчеты и на основании полученных дан-ых построены зависимости тепловыделения капель диаметром 0,1-0,4 см в юмент их контакта с поверхностью свариваемого металла от его толщины, (ремя нахождения капли на поверхности принимали равным 1 с, так как время е кристаллизации составляет 2, 3 и более секунд [2]. Из полученных расчетном путем зависимостей следует, что капля, температура которой равна 2500-700°С, через 1 с после попадания на поверхность свариваемого металла в ре-

зультате тепловыделения через поверхность контакта имеет температуру 250 500°С в зависимости от толщины свариваемого металла. Аналогичным путе! рассчитаны зависимости тепловыделения капли в свариваемый металл по плс щади контакта от времени нахождения капли на поверхности. Установленс что через 6...7 с нахождения на поверхности свариваемого металла капля пол ностью кристаллизуется.

2.2. Параметры, определяющие прочность сцепления капель (брызг) с поверхностью свариваемого металла [1,35]

Для определения и последующей оценки параметров, характеризующи прочность сцепления капли с поверхностью свариваемого металла, вначал решается задача оценки внутренних напряжений, возникающих в свариваемо! металле. Они могут быть найдены с учетом информации о поверхностном дав лении, его распределении, а также о размерах площадки контакта капли с по верхностью свариваемого металла. При этом все параметры должны рассмат риваться как функции времени и скорости удара.

Рассмотренные теоретические предпосылки позволяют предложить еле дующую методику расчета параметров характеризующих удар капли на основ известной модели [1,35].

Принимаем сферическую форму капли, имеющую конечную массу т\ Свариваемое изделие есть полубесконечное тело с массой т2 = со. Такое пред положение справедливо, так как масса свариваемого изделия по сравнению массой капли бесконечно велика. По закону Герца сила удара равна

Р = (24)

где__4^/17 , здесь Я] - радиус сферической каша.

" ~ з я (к { + к 2)

к __ 1 - у'? . к „ 1 - у| где V и Е- соответственно коэффициенты Пуассона ]

модули упругости (модули Юнга). Индексы «7» относятся к капле, а «2» - : свариваемому изделию.

Если принять, что свариваемая деталь полубесконечна и неподвижна, капля движется со скоростью V/, то уравнение баланса энергии имеет вид

= (25)

2 о

Подставив (24) в (25) и взяв интеграл, получаем »чу* _ 2п^[а[ (26)

_2 5

Решая это неравенство находим а^. 1( 5У2 V (27)

а, = Ч{тг)

где = + но с учетом принятого ранее предположения о полубеско т1 т2

нечности тела можно взять м = .

т,

1одставив значение а; (27) в (24) получаем „ _ ,2 ( 5у2 V (28)

V ИА/}

'адиус площадки контакта при этом составит а ~ + (29)

1одставляя (27) в (28) и учитывая (29) получаем

<30)

де Кш — коэффициент шероховатости поверхности металла.

Максимальное поверхностное давление капли в центре площадки при том будет иметь значение

3п .[^/^г^2. (31)

' 2эт?! \4Мп {а]

А значение г может изменяться от 0 до а.

Формулы (28), (30) и (31) дают возможность определить значение удар-юй силы, радиуса площадки контакта капли и распределение поверхностных ¡явлений с учетом скорости удара, геометрии капли, упругих свойств и массы ;апли и свариваемого металла.

Для определения корректности предложенной методики, были проведе-¡ы расчеты основных параметров, характеризующие удар, при различных диа-1етрах капель, бомбардирующих свариваемый металл. Результаты зкспери-1ентгльнык исследований лостаточно хорошо совпали с расчетными данни'-.'ч I подтвердили правомерность принятых в этой работе допущений.

2.3. Физико-химические закономерности распространении капл:; (брьиги)

расплавленного металла по поверхности свариваемого изделия [1]

Изложены теоретические и экспериментальные исследования кинетики ¡астекания (распространения) жидких капель расплавленного металла по по-¡ерхности свариваемого изделия в отсутствии внешних сил, таких как сил гид-юстатического давления и силы тяжести.

Установлено т*то на хар^кт^р ^ма^и^ания влияет цеты^ ряд ^-'слов'^й '' > соторых необходимо выделить следующие:

1. наличие на металлической поверхности окисной пленки;

2. наличие сродства одного металла к другому, определяющего величину краевого угла смачивания;

3. близость температур плавления.

Поведение жидкости на твердой поверхности обычно определяется соот-юшением между величинами стт, стж и агж (сгх и сгж - удельные свободные по-(ерхностные энергии твердого тела и жидкости на границе со средой, в кото->ой проводится опыт; отж - свободная энергия на межфазной границе. При этом 1редполагается, что если стт > о^ + ож, то имеет место полное смачивание, т.е. ;апля жидкости будет растекаться по твердой поверхности в виде постепенно

утонынающегося фазового слоя. В противном случае, т.е. при ат < атж + Стж, об разуется капля с конечным краевым углом.

Показано, что убыль поверхностной энергии (Дет) при растекании можн< оценить, с учетом мшфорельефа твердой поверхности, следующим образом:

Дст=Кат-(Ксттж+стж). (32)

В статических условиях, когда неподвижная капля находится на гладко) поверхности, имеем ат - ауж=ож cos 0. Отсюда следует, что

Ao=ax(Kcos0-l)

(33)

Все величины, входящие в соотношение (33), доступны для непосредст венного экспериментального определения. Значение коэффициента шерохова тости К можно найти при помощи микропрофилограмм твердой поверхности анализ которых позволяет весьма точно определить величину К как отношени фактической площади поверхности к «геометрической».

Уравнение для связи коэффициента поверхностного натяжения тверды: металлов на границе с собственным расплавом, с коэффициентом поверхност ного натяжения расплава, имеет вид

L

г \2

Рт \РжУ

К

(34)

где - коэффициент поверхностного натяжения кристалла на границе с соб ственным расплавом; ат - коэффициент поверхностного натяжения кристалла аж - коэффициент поверхностного натяжения расплава на границе с собствен ным паром; рт и рж - плотность кристалла и расплава, соответственно; - теп лота сублимации; Хи - теплота испарения; Ь - теплота плавления.

Уравнение, определяющее коэффициенты поверхностного натяжени твердых металлов на границе раздела с собственным паром имеет вид

(35)

Значения коэффициентов поверхностного натяжения для железа, опреде ленные по этим уравнениям, следующие: стт=1582 МДж/м2; <тж= 1840 МДж/м2 Отж=46 МДж/м2.

Выражения для коэффициентов поверхностного натяжения и коэффици ента шероховатости позволили определить значения краевых углов смачивали каплей расплавленного металла различных поверхностей свариваемых изде лий, исходя го следующего уравнения:

COS0 =

ст-о-

-+1

/К

(36)

Значения краевых углов смачивания для различных поверхностей свари ваемых изделий, определенны теоретически и экспериментально. Угол смачи

с

ания 8 также зависит от диаметра отпечатка каши

Таким образом, теоретически и экспериментально определена зависи-гость угла смачивания капли расплавленного металла от состояния поверхно-га свариваемого изделия и режимов сварки. Установлено, что наименьший гол смачивания капля расплавленного металла образует со шлифованной по-ерхностыо (0 - 46 - 48 а наибольший с поверхностью обработанной наж-ачным кругом (9 = 60 - 63 Получена зависимость угла смачивания от диа-¡етра отпечатка капли. Показано, что чем больше шероховатость поверхности, ем хуже ее смачиваемость и тем меньше сила сцепления капель с последней.

3. Защитные покрытия и их характеристики

3.1. Требования к применяемым защитным покрытиям [21,47,50,51]

Защитные покрытия должны удовлетворять следующим требованиям:

а) не содержать дефицитных и дорогих материалов;

б) вещества, входящие в покрытие, должны быть негорючими, невзрывоопасными и при сварке не должны выделять большого количества вредных газов;

в) технология приготовления смеси должна быть простой;

г) не терять своих свойств при относительно длительном хранении;

д) обеспечивать хорошую смачиваемость и равномерно ложиться на свариваемые детаии без образования утолщений;

е) исключать (или резко уменьшать) сцепление брызг с поверхностью свариваемого металла;

ж) не злиягь на механические свойства сварного соединения и на химический состав шва;

з) легко удаляться с детали.

3.2. Определение реологических свойств покрытий [1,36].

Одной из важных и мало изученных областей являются реологические зойства защитных покрытий. Одним из основных реологических свойств за-[итных покрытий является их вязкость при сдвиговом режиме деформирова-ия. Основной закон вязкого течения жидкостей - закон Ньютона:

Р = т]-е, (37)

где Р и £ - соответственно напряжение и скорость деформации (сдвига); вязкость системы, Па-с.

Для исследования реологических характеристик вязко - пластичных сред, ысими являются защитные покрытия, автором разработана оригинальная кон-грукция вискозиметра [1].

За исследуемую реологическую модель защитного покрытия принята уп-уто - вязко - пластическая модель Бингама - Шведова (рис. 6). Структурная

реологическая модель имеет вид:

Я = 1Ь - [(М|| £>)] = Нэ - [(И -Б], (38)

где П - реологическая модель покрытия; Но - упругое тело Гука, характери зующее мгновенную упругость материала; М - тело Максвелла, имеющее вщ Н1 - N5 Н1 - упругое тело Гука, характеризующее упругие свойства покрытия; I4 - вязкое тело Ньютона, характеризующее вязкие свойства; Б - пластическое тело Сен-Венана, характеризующее пластические свойства материала.

Для составления математической модели деформации защитного покрытия использовали следующие принципы реологии. Деформация реологическое

модели защитного покрытия (рис. 6) будет ела-х | гаться из деформации элемента Но и деформа-

ции комплексного тела (Н1 - И) || Б. После преобразований всех уравнений, скорость деформации модели Бингама - Шведова равна сумме скоростей деформаций элемента Но и комплексного тела Б и определяется зависимостью:

, , , * * 1 1

./=/я>+^=-—+——+—т——1Ь 2Оз 2а 2ц 2Т]

>Но

(39]

в результате чего получим: 1 + во)

Рис. 6.Структурная реологическая модель защитного покрытия

3 = г+ -2 7

1

ЮоС\

т'- — Пз 2 77

(40)

где, х, г - тангенциальное напряжение и скорость сдвига, МПа, МПа с"1 соответственно; (7о, С; - модули сдвига, МПа; 77 - коэффициент вязкости при сдвиге, МПа с; - предел пластичности.

Уравнение (40) является обобщенным линейным неоднородным уравнением первого порядка с постоянными коэффициентами. Его можно использовать для описания как стационарных, так и для переходных режимов работы исследуемого материала. Для случая стационарного режима величина т становится величиной постоянной и следовательно производная обращается в нуль и уравнение (40) принимает вид:

J = ± То(41)

Предложенная реологическая модель может быть использована при разработке оптимальных составов покрытий, обладающих наилучшими реологическими, санитарно-гигиеническими и технико-экономическими показателями. Показано, что защитные покрытия являются ньютоновскими системами и обладают тиксотропными свойствами. При увеличении концентрации наполнителя в защитных покрытиях возрастает вязкость. Зависимость вязкости от концентрации наполнителя в логарифмическом масштабе носит линейный характер. Критическая концентрация наполнителя в растворе является характери-

тикой системы и определяет разработку и применение защитных покрытий.

4. Исследование влияния защитных покрытий на электрические и технологические характеристики процесса сварки

Экспериментальными исследованиями было установлено, что защитные окрытия, наносимые на кромки свариваемых деталей, попадая в зону дуги, ущественно влияют на параметры дуги и технологические характеристики варки в С02. Изучение влияния защитных покрытий на электрические и тех-ологические характеристики производилось с помощью скоростной кино-ьемки кинокамерой СКС - 1М и осциллографирования изменения напряжения тока сварки.

Влияние защитных покрытий на технологические характеристики оцени-алось по изменению разбрызгивания и набрызгивания капель. Потери на раз-рызгивание и набрызгивание определялись по общепринятым методикам как тношение веса прилипших к образцу капель расплавленного металла к общей tacce расплавленной электродной проволоки.

Эксперименты проводили при сварке стыковых образцов и наплавке вали-ов на пластины из стали Ст 3 толщиной 6 мм в углекислом газе (ГОСТ 8050 -6) проволокой Св - 08Г2С диаметром 1,2 и 1,6 мм (ГОСТ 2246 - 85) и омед-енной проволокой 10MnSi6 диаметром 1,2 мм. Расход углекислого газа оставлял 600 - ¡000 л/ч. Режимы сварки были выбраны в ссотвстстб;.,: с. пркч:с-яемыми в сварочном производстве рекомендация?»!. Исследованиям по ыь-ой методике были подвергнуты следующие защтнь-с покрытия: годный рис-вор мела (МВ), водный раствор сульфитно - спиртовой бгрзы (КЪЖ), ve.¡ v падким стеклом (МЖС), алюминиевая пудра с жидким стеклом (АЖС). циркон жидким стекло?,-; (ЦЖС), циркон с поливинилбутиральным лаком (ЦПР;, люминиевая пудра с декстрином (АД), препарат «Дуга - 2М», силиконовый рем и покрытие из кремнеорганической жидкости ГКЖ - 94.

Установлено, что нанесение на пластины покрытий АЖС, ЦЖС и МЖС риводит к увеличению длины дуги, размера капель и времени их пребывания а электроде. Частота перехода капель в шов и число коротких замыканий раз-ядного промежутка изменяются. Защитные покрытия МБ, КБЖ и «Дуга - 2М» е оказывают существенного влияния на изменение электрических характери-гик процесса сварки и переноса электродного металла. При сварке с покры-иями АЖС, ЦЖС и МЖС потери на разбрызгивание (рис. 7) и набрызгивание зис. 8) увеличиваются. Покрытия МВ, КБЖ и «Дуга - 2М» дают небольшое величение потерь на разбрызгивание.

Забрызгивание выходного отверстия газового сопла горелки приводит к бразованию пор в металле шва. Для определения влияния параметров режима варки на время непрерывной работы горелки до появления пор проводились пьггы по полуавтоматической наплавке валиков на пластины из стали Ст 3 подавтоматом ПДПГ - 500 с источником питания ПСГ - 500 в СОг в нижнем по-ожении.

Полученные данные (рис. 9) показывают, что на зависимости х(1) имеете минимум, соответствующий максимуму на кривых разбрызгивания. В диапазо не изменения тока от 100 до 500 А зависимость т = f (1св) приближенно може быть описана уравнением вида:

t=M2+AII+AO, (42)

где I - сварочный ток, А. Произведя обработку экспериментальных значени периодичности очистки от брызг сопла горелки, получили систему уравнений:

п=1

Е/с» М„ + \XlL -A+fe'c,)-^ = Хг-/и;

л=1 ) \n=l J n=J

£ II Y Л + ff 'с. 1 • Л + fe IL =

(43)

^П-1 J \п = 1 J П-1

Решая эту систему с учетом полученных данных (рис. 9), найдем значе ния коэффициентов А0, Аь А2 уравнения (42). Результаты расчета сведены : таблицу 2.

Г. и

у %

200 250 ¡00 310 100 4 50 I,. ,Л

200 250 300 350 400 450 I.. ,Л

а б

Рис 7. Потери металла на угар и разбрызгивание в зависимости от сварочного тока при использовании защитных покрытий: а - АЖС (/); ЦПР (2); ЦЖС (3); ГКЖ-94 (О; «Дуга-2М» (5); б - силиконового крема (/); МЖС (2); АД (3); МВ (4); КБЖ (5) и без покрытия (б). Проволока Св-08Г2С 0 1,6 мм

Уравнение (42) и данные табл. 2 позволяют определить ожидаемую вели чину времени непрерывной сварки без очистки сопла и дать рекомендации п< необходимой плановой очистке сопла при полуавтоматической сварке в С02: диапазоне токов 100 - 500 А.

Рис 8. Процент трудноудал имых брызг в зависимости от типа защитного покрытия и количества расплавленного металла

Рис. 9. Влияние параметров режима сварки, диаметра сопла и расстояния его от изделия на время непрерывной работы до появления пор в металле шва. Проволока Св-08Г2С диаметром 1,6 мм: 1- 0с=22мм; ¿=30мм; 2-0с=16мм; 1=3 Омм; 3- 0с=22мм; ¿-20мм; 4- 0с=16мм; £=20мм; 5-0с=12мм; ¿=30мм; 6- 0с=12мм; ¿=30мм

Таблица 2

Значения коэффициентов Ар, А;. А2 уравнения (42)____

Диаметр сопла, мм Расстояние Диаме-.р свароч- ОпрсЛб. <»СМЫ6 Г-'ОЗфф

сипла до из- ной проволоки, А л,

делия. мм мм А,

12 20 1А 38,0 -0.1367 О.ООО?

.4) 48.6 -0.1737

16 * 1,6 56,2 -0,2279 0,000.1

30 69,2 -0,2714 0,00039

20 1,6 63,8 -0,2338 ^ 0,0003

30 85,6 -0,3270 0,00045

12 15 1,2 42,4 -0,1122 0,00015

20 58,2 -0,1850 0,00025

16 15 1.2 64,8 0,2457 0,00034

20 76,0 -0,2820 0,0004

12 20 1,4 39,6 -0,1412 0,0002

25 50,0 -0,1664 0,0002

5. Технологические свойства защитных покрытий

Технологические свойства защитных покрытий характеризуются сле-(ующими показателями: степенью дисперсности, укрывистостью, способностью материала к нанесению и растекаемостью (розливом).

От технологических показателей защитных покрытий зависит качество ащиты свариваемой поверхности от брызг расплавленного металла. Поэтому оправленное регулирование технологических свойств материалов является

100 2т 300 440 Л

одним из путей получения покрытий с заданными свойствами.

5.1. Смачивание защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий [1,26,60,61,66,71]

От того, насколько хорошо смачивает покрытие подложку и растекается на ней, во многом зависят внешний вид, сплошность, адгезионная прочность и защитная способность покрытий. В обеспечении контакта важное значение имеет рельеф поверхности. Шероховатую поверхность можно рассматривать как поликапиллярную систему. Глубина затекания (подъема) жидкости в поры такой подложки определяется силами капиллярного давления.

Основными факторами, определяющими полноту контакта (заполнение неровностей и пор поверхности подложки), являются вязкость, плотность и поверхностное натяжение защитного покрытия, размерырформа и-расположение неровностей поверхности.

О поверхностном натяжении на границе твердое тело - жидкость косвенно судят по смачиваемости твердой поверхности раствором или расплавом С, характеризующейся краевым углом смачивания 0 (С= cos 0).

Полагаемся, что при 0 < 90° жидкости смачивают твердое тело, а при 0 > 90° - не смачивают.

При минимальном краевом угле создаются благоприятные условия получения бездефектных пленок за счет хорошей растекаемости материала и, следовательно, достигаются высокие защитные характеристики покрытий.

В результате проведенных исследований установлено, что удовлетворительное смачивание поверхности свариваемых изделий наблюдается у покрытий ПЗ-1 и ПЗ-2, которые можно рекомендовать для широкого внедрения в сварочное производство. Для поверхностей с тонким слоем смазки можно рекомендовать для внедрения в производство защитные покрытия на основе жидкого стекла (МЖС, АЖС, - ЦЖС). -Очевидно,- нанесение на поверхность пленки машинного масла снижает поверхностное натяжение капли покрытия и улучшает его смачивание.

5.2. Влияние термостойкости покрытий на эффективность защиты поверхностей свариваемых изделий от брызг (капель) расплавленного металла [1,50,55,56,57,58,59,70]

Одно из требований предъявляемых к защитным покрытиям - обеспечение надежной защиты свариваемых изделий от брызг расплавленного металла. С этой целью в них вводят термостойкие наполнители. В данном разделе приведены результаты исследования влияния как компонентов входящих в состаБ покрытий , так и самих защитных покрытий на температуру калориметрической системы с заранее известной эффективной теплоемкостью и на основание опытных данных определены составы покрытий, которые наиболее эффективно защищают поверхность свариваемых изделий от брызг расплавленного ме-

талла. В основу положена известная методика определения теплоты сгорания твердого топлива (ГОСТ 147-74).

Исследования проводили на калориметре модели В-08-МА.

Анализ результатов выполненных исследований показывает влияние различных компонентов защитных покрытий на удельную теплоту сгорания угля. Компоненты ГКЖ-94, поливинилбутираль, декстрин, циркон, КБЖ, каолин существенно ее увеличивают, а силиконовый крем, кальцинированная сода, мел, жидкое стекло, наоборот, уменьшают, алюминиевая пудра, заметного влияния не оказывает. На основании этих результатов следует вывод, что покрытие, которое обеспечит низкий процент трудноудалимых брызг, должно содержать вещества имеющие более высокую теплоту сгорания. Очевидно, большую роль будет играть процентное соотношение этих веществ в покрытии, а также влияние на шк других веществ, входящих в состав покрытия. Для полноты анализа исследовано влияние составов известных защитных покрытий на удельную теплоту сгорания угля. Исследование показывает, что наиболее термостойкими являются покрытиями типа АД, ПЗ-1, ПЗ-2 и ЦПР. Это подтверждается экспериментальными данными приведенными в работе [21]. Наибольшую термостойкость покрытиям придают следующие вещества: декстрин, циркон, каолин и др.

6, Нормирование расхода защитных покрытий и методики определения толщины слоя, наносимого на поверхность свариваемого изделия

6.1. Методика нормирования расхода защитных [1,62, 63]

Норма расхода - это максимально допустимое количество материала, расходуемое при нанесении на изделие для получения покрытия с требуемыми свойствами в соответствии с планируемым уровнем техники, технологии и ор-гапизащпг производства.

Норматив расхода защитного покрытия - это максимально допустимое

« 1 2

еГО количество ДЛЯ ИсШСССННЯ ПОКрЫТНЯ определяемой ТО Л XII* II1Ы Н£1 1 М ПОверхности.

Норму расхода N покрытия на изделие можно рассчитать:

N = $пМ у ■ (44)

где 5 - наносимая площадь покрытием, м2; п - количество наносимых слоев защитного покрытия; Ny - норматив расхода защитного покрытия, г/м2.

Если необходимо рассчитать норматив расхода для толщины защитного покрытия пересчет производят по формуле:

где N1 - норматив расхода при заданной толщине покрытия, г/м2; -норматив, приведенный в таблице, г/ м2; SJ - заданная толщина покрытия, мкм;

5 - толщина покрытия по таблице, мкм.

Норматив чистого расхода - это количество покрытия, нанесенного на 1

2 - „ \00S5D _

м защищаемой поверхности, Т = ——— ;где 5 - площадь покрытой поверхности, м2; 8- толщина слоя покрытия, мкм; £> - плотность, г/см3; Р - сухой оста-

о/ „ 100^25

ток защитного покрытия, %. Отсюда: Ту - —-—;

КТ 2

Норматив потерь: Я = -—;где Ту - норматив чистого расхода, г/м^; К 1 — К

- коэффициент потерь; 1-К - коэффициент полезного использования материалов защитного покрытия.

Норматив расхода материалов покрытия ^ определяется суммированием норматива чистого расхода Ту и норматива потерь Пу или еще его можно рассчитать по формуле:

100<5Р Р(\-К)

Предложенная методика нормирования расхода покрытий для защиты поверхности свариваемого металла от брызг расплавленного металла при сварке в СОг позволяет с достаточной точностью определить норматив расхода покрытий.

6.2. Методика определения толщины покрытия [1,42,43,44,45,69]

На практике толщину необходимого слоя защитного покрытия выбирают только исходя из опыта [21]. При этом малая толщина покрытия приводит к некачественной защите поверхности изделия, большая - к излишнему расходу покрытия. Минимальная толщина слоя защитного покрытия определяется в зависимости от режима сварки, теплофизических характеристик покрытия и диаметра капель расплавленного металла. Удельный поток полной теплоотдачи каплей дто на лучистый и конвективный теплообмен с окружающей средой, равен а(Тк -Т0) (а - коэффициент полной поверхностной теплоотдачи, который складывается из коэффициента конвективной теплоотдачи и коэффициента лучистого теплообмена; Тк - температура капли в момент вылета из дугового промежутка, °С; Т„ - температура окружающей среды, °С).

Для определения коэффициента а зададимся граничным адиабатическим условием 3-го рода, выбор которого определяется тем, что в конкретном случае исследуется кратковременное движение капли малого размера. Капли диаметром 0,1 см и более летят со скоростью 1 м/с и имеют большой угол разлета, и во время движения остывают незначительно [43,48,2]. С учетом этого а^О.

Количество теплоты содержащейся в капле в момент контакта с поверхностью свариваемого изделия, равно д-дто . Оно должно быть меньше количества тепла, необходимого для разложения и испарения слоя защитного покрытия, который выражается параметром 5.

Процесс приращения температуры на поверхности полубесконечного те-

ла в момент введения теплоты от нормально кругового источника рассматривается с тем условием, что через время t0 она распространяется в глубину в направлении оси 02. Такой процесс выражается уравнением (22)

Предполагается, что г будет представлять собой толщину слоя защитного покрытия, необходимого для предотвращения сцепления брызг с поверхностью свариваемой детали, т.е. 8 которое определяется

д =\\4 си - 1п(

2Ч

4 а ( I + Го )

(47)

ср 4 7Т а (г + 1о) -14тГа1-Т где q - количество тепла, содержащегося в капле в момент контакта ее с поверхностью свариваемого изделия; ср - объемная теплоемкость защитного покрытия; г - радиус капли; (о - время, с которого начинается распространение теплоты в глубину по оси 02, равное 1/(4 а к) (а - температуропроводность защитного покрытия, равная Х/ср, к - коэффициент сосредоточенности теплового потока капли, равный 3,46/0); I - время, прошедшее с момента контакта капли с защитным покрытием; 8 - глубина, на которую распространяется теплота, передаваемая каплей слою защитного покрытия.

Сложность дальнейшего определения 8 заключается в отсутствии данных об объемной теплоемкости и температуропроводности защитных покрытий.

Для определения коэффициента температуропроводности а определялась плотность защитных покрытий экспериментальным методом. Плотность защитных покрытий р, равная т/р, определялась экспериментальным методом ( ш, О - единица массы и объем единицы массы защитного покрытия). Для нахождения удельной теплоемкости защитных покрытий с использовали метод калоримстрировакия, а коэффициента теплопроводности сс - пзвссткыи метод плиты.

Теплофизические свойства защитных покрытий приведены в работе [11 и приведены здесь в табл. 3).

Таблица 3

* г .гча п/п Покрыше Толщина покрытия, мм 11ОГрсШН0С1Ъ ь 70

Теоретическая Экспериментальная

1 МВ 0,025548 0,0271 6,1

2 КБЖ 0,0149 0,01657 11,2

3 ПЗ 1 0,0348 0,0366 5,2

4 ПЗ 2 0,024076 0,0273 13,4

5 АД 0,022072 0,02528 14,53

6 мжс 0,21944 0,24057 9,63

7 АЖС 0,18582 0,208 11,94

8 ЦЖС 0,1928 0,209 8,4

9 ЦПР 0,05548 0,06142 10,7

10 СК 0,007955 0,00885 11,2

6.3. Методика расчёта минимальной толщины слоя покрытия [1,24]

При разработке методики предполагали, что:

1. В момент контакта капли с поверхностью свариваемого металла и деталями сварочной горелки количество тепла её Qlí> Qmin.

2. Капля сцепляется с поверхностью свариваемого металла после того, как имеющееся покрытие сгорает (испаряется) с контактной поверхности.

3. При определении Qк учитывали потери тепла капли на радиацию, конвекцию и на сгорание (испарение) покрытия

= брад - &он - 2с.г„ (48)

где - количество тепла металла брызги в начальный момент времени (в момент отрыва от электрода); 0рад.ДОн - потери тепла брызги в момент её полёта за счёт радиации и конвекции; бс.п - потери тепла каплей на сгорание покрытия.

Количество тепла металла электродной капли в начальный момент определяется по известной формуле [24]:

бо = V, -уш-То-С*., (49)

где У% - объём капли; Ск -уж - удельная теплоёмкость и плотность жидкого металла при температуре Т0; Т0 - температура металла капли в момент её отрыва от электрода.

Общие потери тепла с учётом радиации и конвекции составляют:

= С,, т.

1 -

1

+ Р,

с/ {Го ~ 290 ) С, т.

(50)

2 2 Подставив /V = 470"^ и тк = ягк , получаем

= С.т.

1 -

9есг о

С к ' У ж

+ 3

Ш (Т0 - 290 ) С к 'Уж '

(51)

где е - коэффициент черноты; а0 - коэффициент пропорциональности; - поверхность излучения капли; тк - масса капли металла; t - время полёта капли; /*Е - радиус капли; а - коэффициент теплопередачи, уж - плотность жидкого металла; уж-Ск - соответственно плотность и теплоёмкость газа при 20 °С; УТ - скорость газового потока.

Попадая на деталь, капля отдаёт часть своего тепла на сгорание (испарение) покрытия (£)с,п). Эту часть тепла можно определить по уравнению

бс(52) где ца - удельный расход тепла на сгорание единицы объёма покрытия; У„ -

объём сгораемого покрытия.

Температура металла капель в момент контакта с поверхностью образца

зависит от их размера и расстояния полёта [33].

Расчёт показывает, что в момент контакта с поверхностью капля имеет около 7 Дж тепла, а температура металла достигает 2253° К.

Следовательно, для предупреждения сцепления брызг с поверхностью детали надо наносить такой слой защитного покрытия, при сгорании которого капля расходует весь избыток тепла и охлаждается до температуры, меньшей чем 2253К, т.е. ее количество тепла будет не больше чем

0та = 2253€к-Г!2зз-Ук, (53)

Для расчета толщины такого покрытия (Ип) предполагается, что объем сжигаемого каплей покрытия равен объему цилиндра, радиус поперечного сечения которого равен радиусу капли, а высота - толщине слоя покрытия, т.е.

>„ = *■/■/•*„ (54)

Тогда после соответствующих преобразований можно получить уравне-

ние:

2. > ^ 'У Ж * ^ К

Т0 - 2253 -

Ск-Гх

Тп I 1

,17 , ____Ул^л 3 >

3 а1(Т0 - 290 )

+ 3 —:—&----

(55)

Ск 7, ''к

I 1/ -

V V Ч--]',:'^

Анализ уравнения (55) показывает, что толщина слоя защитного покрытия зависит от удельного расхода тепла его сгорания (испарения), размера (гк) и начальной температуры металла (Т0) капли, а также от времени её полета (?) до контакта с поверхностью свариваемого изделия и деталей сварочной аппаратуры. Следовательно, минимально необходимую толщину защитного покрытия надо определять исходя из максимально возможных размеров брызг электродного металла и минимального расстояния их полета. Зная удельный расход тепла ((/„) на сгорание единицы объёма покрытия, можно определить расчетным путем минимально необходимую его толщину с целью предупреждения сцепления самых крупных брызг. Расход материала, необходимого для сгорания (испарения) покрытия зависит от физико-химических свойств покрытия.

На основании изложенного, зная радиус (г„) капли и её температуру (Гк), а также величины Ск и др., можно определить из уравнения (55) толщину слоя покрытия (Лп) для различных размеров капель и составов покрытий.

Опытная проверка показала, что расхождение между расчётными и экспериментальными значениями фп) находится от 1 до 10%. Следовательно, предложенное уравнение позволяет расчётным путём выбрать оптимальную толщину слоя покрытия, при которой сцепления брызг с поверхностью детали не наблюдается. Внедрение данной методики в сварочное производство позво-

лит значительно сократить расход компонентов, входящих в состав защитных покрытий.

7. Технико-экономические и санитарно-гигиенические характеристики сварки в С02 с применением защитных покрытий.

7.1. Пути повышения социального и экономического эффектов сварки в

С02 [1,72,73]

При сварке в СОг трудоемкая операция зачистки от брызг связана с опасностью возникновения вибрационных заболеваний. О серьёзности последствий работ по удалению брызг с поверхности говорит, например, тот факт, что в 1990г. в объединении «ЮМЗ» насчитывалось 160 профессионально больных и 105 человек, находящихся под наблюдением по подозрению на виброзаболевания, связанные с выполнением сварочных работ. В связи с этим снижение на-брызгивания металла приобретает важнейшее социально-экономическое значение как одна из мер заботы о здоровье рабочих.

Анализ заболеваемости виброболезнью, как уже отмечалось, показывает, что предрасположенность к ней появляется через 7...8 лет, а сама болезнь наступает максимум через 10 лет работы. Поэтому в расчетах приняты показатели за два периода 1981... 1985 и 1986... 1990 гг.

Во всех сферах хозяйственной деятельности должен действовать основной принцип: не может быть экономично то, что наносит ущерб человеку. Поэтому необходимо считать не только экономический эффект, но и ущерб, причиняемый здоровью человека.

Для расчета численности рабочих, занятых на операции зачистки изделий от брызг, сравнительных показателей при сварке с применением защитного покрытия и без него определяли трудоемкость изготовления конкретных деталей. В качестве справочного материала использовали нормативы объединения, данные отделов охраны труда и техники безопасности (по заболеваемости) и труда и заработной платы (по трудоемкости). I Bmfiw Шю ЛИ Рис. 10. Экономический эффект от

внедрения защитных покрытий: I — ежегодное высвобождение рабочих, чел.; II — суммарная трудоемкость слесарно-доделочных работ и работ, исключенных из процесса, тыс. нормо-ч; III — суммарная экономия по себестоимости выпускаемой продукции, тыс. нормо-ч

Экономический эффект от применения защитного покрытия показан на рис. 10. Как показал анализ заболеваемости, в 1988...1989 гг. из каждых 100 человек ежегодно заболевали до 16 человек. Из расчетов занятости на вредных

19SI...1985 гг.

1986...1990 гг.

работах в группе риска за расчетные-10 лет находились бы (с учетом выбывания) 480 человек, а к имеющимся на момент расчета 160 больным прибавилось

бы еще 77 человек. Суммарный экономический эффект от снижения трудоемкости составил 141,8 тыс. нормо-ч в год. Себестоимость при средних затратах 15 руб. на 1 нормо-ч снижена на 2127 тыс. руб. в ценах 1990 года.

7.2. Методика нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии [1, 22, 23, 28]

В условиях перехода к рыночным отношениям экономия энергоресурсов, сварочных материалов является особо важной задачей. Одним из резервов их экономии является разработка и внедрение прогрессивных технологий сварки в СО?, и в частности, применение различных защитных локрытпй. Использование этого резерва обеспечит увеличение рентабельности сварки и экономию ресурсов, которые могут стать источником дополнительного выпуска сварных конструкций. В нормах расхода сварочной проволоки и защитных покрытий учитывают полезный расход материалов, а также отходы и потери, обусловленные технологией сварки.

Норма расхода сварочной проволоки на сварную конструкцию определяется

п

НИ = >_нр; • ¿/--К, ' ('56)

1= I

где Нр, - норматив расхода проволоки на 1м шва ;-го типа при данной толщине свариваемого металла, кг; - длина шва /-го типа, м; /С, - коэффициент, учитывающий технологические отходы и потери сварочной проволоки. Расход проволоки по таблицам стандарта ГОСТ 14771 - 85 принят /0=1,15 от массы наплавленного металла, а расход СОг —1,2 от расхода проволоки.

Норматив расхода сварочной проволоки при сварке в СО2 с применением защитного покрытия можно найти по формуле

Н рп=Шв, (57)

где К„ -коэффициент расхода сварочной проволоки на 1 кг наплавленного металла при сварке в СОг с применением покрытий; М -масса наплавленного металла на 1 погонный м шва, кг.

Масса наплавленного металлам (в кг на 1 пог. м шва) определяется как

(58)

где р -площадь поперечного сечения наплавленного металла шва в сварном соединении данного типа, рассчитываемая по номинальным размерам конструктивных элементов подготовленных кромок свариваемых деталей и шва сварного соединения по ГОСТ 8713-79, см2; Р -плотность металла, составляющая для углеродистых и низколегированных сталей 7,85 г/см3; Ь — длина шва, равная 100 см.

Норматив расхода сварочной проволоки может быть рассчитан исходя из

параметров режима сварки. При однодуговой сварке с применением защитных покрытий нормативный расход сварочной проволоки:

(59)

"ев

где Нр.р - норматив расхода сварочной проволоки на 1 м шва, кг; Кщ, -скорость подачи сварочной проволоки, м/ч (м/мин); Усв -скорость сварки, м/ч (м/мин).

При автоматической многодуговой сварке изделий с применением защитных покрытий, например, труб, норматив расхода проволоки:

Н,вд -Кв> (60)

1-1 СИ I

где /' = 1 — однодуговая сварка; п - количество дуг с учетом всех переходов при сварке шва.

Норматив расхода защитного газа С02 при однодуговой сварке с применением покрытия:

Гпр^Дз Ус,

где Ксо^ -коэффициент расхода углекислого газа, составляющий 1,2 от расхода сварочной проволоки.

Норматив расхода С02 при многодуговой сварке с применением покрытия:

пр.р=^^.ки.кС02. (61)

» V -л

; - 1 ^св

-—-КП-КС02 (62)

Для определения норматива расхода сварочной проволоки и углекислого газа на 1 т труб можно применить формулу:

где Нр.т —норматив расхода сварочных материалов на 1 м шва, кг; А - длина сварных швов на одной трубе, м; Б -длина свариваемой трубы, м; В„ -теоретическая масса 1 м трубы, т.

Нормы расхода электроэнергии разрабатываются на основе нормативов расхода электроэнергии на 1 м сварного шва или на 1 кг наплавленного металла, которые зависят от марки сварочной проволоки, типа сварного шва, толщины свариваемых металлов и режима сварки. Норматив расхода электроэнергии на 1 м сварного соединения (или на 1 кг наплавленного металла) в общем виде может быть представлен как:

Нэ.м=Эом+Эхм+Эд.ы, (64)

где Э0Л - расход электроэнергии на основное время сварки, кВт; Эм -удельные потери электроэнергии в перемежающемся режиме работы источника питания в период холостого хода, кВт; Эл.„. -расход электроэнергии двигателем, кВт.

Значение Э0.„ определяется по формуле:

1-и-Т •70"3 Эо.м = ом (65)

7

где / -сила тока, А; (7-напряжение на дуге, В; Т^м -основное время сварки 1 м шва или наплавки 1 кг металла (период горения дуги); г/ - коэффициент полезного действия источника питания дуги.

Значение Эх.„ определяется следующим образом:

Эх.м = "х -Том'Къ (б б)

где Рх -мощность источника питания на холостом ходу, кВт; Кх - коэффициент, учитывающий период холостого хода источника питания по отношению к основному времени сварки.

Значение Эд.м можно определить по формуле

=tFrKp¡■rvr (67)

1=1

где Р,- - установленная мощность 1-го электродвигателя, кВт; Кр, -коэффициент использования /-го электродвигателя по мощности; Гр,- -продолжительность работы 1-го электродвигателя, ч/м.

7.3. Методика расчета экономической эффективности сварки с применением защитных покрытий [1,21,32]

Годовой экономический эффект от применения чашитньтх покрытий можно определить, используя известную формулу для расчета экономической эффективности нового технологического процесса:

Э=(С]+ЕЯК1) — (С2+ЕнК2)-, (68)

где С/ и С2 - затраты на производство годового объема сварочных работ по зачистке поверхности изделий от налипания брызг расплавленного металла соответственно по сравниваемым вариантам на один сварочный пост и год, руб.; К1 и К2 - капитальные вложения на производство годового объема сварочных работ по зачистке изделий от брызг соответственно по сравниваемым вариантам, руб.; Еп - нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности.

Величина затрат на производство годового объема сварочных работ по зачистке изделий от брызг расплавленного металла по сравниваемым вариантам

с учетом применения защитных покрытой:

С = I С,1,п, > (69)

где С - себестоимость зачистки 1 м шва г'-го типоразмера, руб.; /, - протяженность шва г'-го типоразмера, м.; - количество швов г'-го типоразмера, ед.

Себестоимость зачистки сварного шва определяется по калькуляционным статьям затрат по каждому из сравниваемых вариантов сварочного производства. Расчет затрат иа материалы, применяемые при зачистке изделий от сцепления брызг, складывается из основных и вспомогательных материалов ( сырье,

полуфабрикаты, электроэнергию, виброинструмент и сжатый воздуха)

т п

С« = ЦР«,Ц,> (70)

1 i=l

где Р„, - расход основных и вспомогательных материалов, г; Ц, - стоимость единицы /-го вида основных и вспомогательных материалов, руб.; т - количество типоразмеров сварных швов, ед.; п - количество видов основных и вспомогательных материалов.

Расход основных и вспомогательных материалов Рш принимают по установленным нормам и фактическому расходу, при этом необходимо учитывать уменьшение потерь материалов в результате внедрения новых технологий. Стоимость покупных, основных и вспомогательных материалов Цм определяется на основе действующих оптовых цен с учетом транспорт-но-заготовительных расходов а, стоимость основных материалов собственного производства исходя из плановой или фактической себестоимости.

Расход сварочной проволоки на сварную конструкцию (изделие) в общем виде определяется по формуле:

Рпр = ЕН pi-LrKni, (71)

i=l

где Hpi - норматив расхода проволоки на 1м шва i-ro типа при данной толщине свариваемого металла, кг; £, - длина шва /-го типа, м; KrJ - коэффициент расхода сварочной проволоки данного вида на 1 кг наплавленного металла, установленный экспериментальным путем с применением и без применения покрытий для защиты поверхности свариваемых изделий от налипания брызг. Этот коэффициент учитывает потери на угар, испарение, окисление и разбрызгивание.

Стоимость проволоки определяется по формуле:

Сщ,—РпрЦщ» (72)

где Цф - стоимость 1 кг проволоки, руб.

Стоимость израсходованного газа на один сварочный пост в год:

Сгаз = ^СО: ' Чгаз = ^пр '-^С02 " Цгаз ' (73)

где Fcо^ - расход газа на один сварочный пост в год, кг; Ц^ - стоимость 1 кг СОг, руб.; А"со г - коэффициент расхода С02 на 1 кг сварочной проволоки.

Затраты на защитные покрытия Спох определяются по уравнению

Спок ^пок •Цшж^пок -L -IUe, (74)

где Rn0K - расход защитных покрытий на один сварочный пост в год, кг; гпт -расход покрытий на 1 пог. м шва, кг; L - протяженность сварных швов, м; Ц™* -стоимость покрытий на 1 пог. м, руб.

Зачистка сварных швов и околошовной зоны производится виброинструментом (пневмомолоток, зубило), следовательно, необходимо определить также затраты на используемый виброинструмент Си,, которые находятся по уравнению:

с™ =?ГЦМ + Г'Ц*' <75>

где Т- трудоемкость зачистки поверхности изделий на один сварочный пост в год, ч; Sm - средняя стойкость пневмомолотка, ч(по данным ЮМЗ - 190 ч.); <5, -средняя стойкость зубила (ЮМЗ) -8 ч; Цч- стоимость пневмомолотка, руб.; Цд -стоимость зубила, руб.

Трудоемкость X определяется с учетом трудоемкости т\ на зачистку 1 пог. м. шва без применения защитного покрытия, мин и Lm длины сварного шва, м.

Трудоемкость То в результате снижения набрызгивания в зависимости от применяемых защитных покрытий определяется из уравнения:

= (76)

где К-,- набрызгивание в зависимости от применяемого защитного покрытия, %;

К- набрызгивание без применения защитного покрытия, %.

Общая трудоемкость зачистки поверхности изделия от налипших брызг после сварки с учетом применения защитных покрытий на 1 сварочный пост:

т'=т0+тн+ Гсн, (7?)

где Гн - трудоемкость на нанесения защитных покрытий, ч:

Тв = is-il, (78)

60

где т" - трудоемкость на нанесение защитных покрытий на 1 пог. м., мин; Тсп - трудоемкость на снятие защитных покрытий перед нанесением лакокрасочных покрытий, ч:

т" -L

Т _ СН ^ г-70\

где Т - трудоемкость на снятие защитных покрытии перед нанесением лакокрасочных покрытий на 1 пог. м, мин.

Трудоемкость сварки на 1 сварочный пост в год Гсв :

Т--К.-Т. (К(Г>

»-в п >

где Кп - коэффициент расхода сварочной проволоки с учетом применения защитного покрытия.

Затраты на сжатый воздух Св определяются исходя из трудоемкости на зачистку изделий от налипших брызг, то есть время работы виброинструмента:

Св=Рв-Цв=г%-Ц,, (81)

где Ръ - расход сжатого воздуха при работе виброинструмента, м /ч; Ц„ -стоимость 1000 м3 сжатого воздуха, руб.

Заработная плата рабочих, занятых на зачистке поверхности свариваемых изделий от налипших брызг, определяется из уравнения

т.в -Ч--(Н,л + Нсст + Н.) ^

(1 — т и I cs Р \ 3-Д_£££_Р_/ (ЯОЛ

- гсв ^р + 100

где Чр - средняя часовая тарифная ставка соответствующего разряда, руб; Нс.ст -процент отчислений на социальное страхование, %; Н3.д - процент дополнительной заработной платы за отчетный период, %; Нр - районный коэффициент, %.

Заработная плата Ссв на сварку на 1 сварочный пост в год: = г. 'Ч^ + ^•Ч^ЧНм+Н^+Нр)

1.П СВ ср 200 V '

где % - средняя тарифная ставка соответствующего разряда на сварку, руб.

Годовой экономический эффект на 1 сварочный пост зачистки поверхности изделий от брызг с применением защитных покрытий выражается следующим общим уравнением:

Э Сцр ^"Сгаз Син"'" Сэл"'" Св Саок^Е^С]) (84)

В качестве примера рассматривали какой экономический эффект можно получить, применяя для защиты поверхностей свариваемого изделия от налипания брызг эмульсию водного раствора сульфитно-спиртовой барды, мыла и кальцинированной соды, с помощью полученных уравнений. В результате расчета получен годовой экономический эффект от внедрения защитного покрытия на один сварочный пост в год: Сэ=3495453,92 руб.

7.4. Влияние защитных покрытий на санитарно-гигиенические условия труда сварки в углекислом газе [1,21,37]

Влияние защитных покрытий на газопылевыделение при сварке в С02 определялось с помощью переносной ротационной установки ПРУ-4. Отбор проб воздуха производился под щитком в зоне дыхания сварщика без вытяжной вентиляции. При этом определялось выделение в окружающее пространство пыли, окиси марганца, окиси углерода и органических веществ.

Анализ опытных данных (табл. 4) показал, что большинство покрытий (8 из 10), наносимых на детали для защиты поверхностей, приводит к превышению предельно допустимых норм содержания вредных примесей и газов в зоне дыхания сварщика. И только сварка с применением покрытия КБЖ и эмульсии [9, 12, 16] не оказывает заметного вредного воздействия по сравнению со сваркой без защитных покрытий. Кроме указанных в таблице выделяющихся при сварке вредных веществ и газов, определяли наличие и других примесей: окиси кремния, сероводорода, окислов фосфора, сернистого газа, окислов азота, фтористого водорода, алюминия и др. Опыты показали, что эти вещества и газы выделяются в количествах, не превышающих предельно допустимых норм при использовании всех рассмотренных покрытий, кроме МВ, когда сероводорода при сварочном токе 500 А выделяется в количестве до 14,7 мг/м3 при норме 10 мг/м3. С увеличением сварочного тока выделение пыли и окиси углерода уменьшается, а окиси марганца увеличивается.

Таблица 4

Результаты анализа выделения вредных примесей при сварке в СОг с примене-

___ нием защитных покрытий__

Выделившееся вещество Пред. доп. норма, мг/м3 Сварочный ток, А Количество вредного вещества, мг/м , выделившегося при сварке с покрытием

Эмульсия КБЖ АД Сил. крем мв мжс АЖС цжс гкж -94 ЦПР Без по кры-тия

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Пыль 10,0 200 10,0 6,0 12,0 14,0 21,0 28,0 20,0 19,0 17,0 12,0 10,0

300 10,0 6,0 9,0 13,0 19,0 22,0 18,0 17,0 14,0 11,0 9,0

400 9,0 5,0 8,0 12,0 17,0 16,0 16,0 14,0 9,0 10,0 8,0

500 9,0 4,0 8,0 10,3 14,01 12,0 12.0 11,0 8,0 8,0 |_ 7,0

Окись марганца 0,3 200 0,03 0,06 0,49 0,21 0,10 0,54 0,85 0,80 0,49 0,64 0,20

300 0,06 0,15 0,62 0,27 0,26 0,60 0,86 0,91 0,49 0,61 0,47

400 0,17 0,22 0,75 0,35 0,38 0,64 1,03 1,14 0,64 1,04 0,68

500 0,21 0.29 0,80 0,42 0,47 0,96 1,15 1,14 0,74 1,15 0,80

Окись углерода 200 14,0 11,2 29,0 22,4 22,8 19,2 28,4 22,4 16,8 28,0 19,0

300 12,0 10,4 24,3 20,0 20,0 17,6 25,6 22,4 12,4 24,0 14,0

400 10,0 8,3 20,0 17,0 17,0 14,2 19,6 16,0 10,4 22,1 3,0

500 7,5 8.0 16.0 13.0 12,0 11,8 16,8 10,0 10,4 16.3 4.3

Органические вещества 200| — п __ _ ___ — — — — [ 560 5611 —

300.0 300 — — — — — — — ! 5701 432] —

400 — — — — — — — — } 570( 432} —

500 — — 1 — — — — — — ! 560!' 504| —

8. Разработка эффективных средств снижающих трудоемкость изготовления сварных изделий при дуговой сварке в углекислом газе

8.1. Оптимизация конструкции отсекателя в системе подачи газа в

V РПЙП^Н II ЧРТОДЧ^-'* п^рцрта €ТВбилмзипоВЭ"ЧОГО р^ЖйМЗ [1, 53]

В работе [1] дан анализ известных отсекателей газа для подачи защитного газа в зону сварки, отмечены их недостатки, предложена новая система подачи газа, которая состоит из источника газа, резиновых шлангов, отсекателя газа и горелки, а также анализ известным способам газовой защиты зоны сварки с ручным включением - выключением подачи газа через отсекатель, которым присущи определенные недостатки: отсутствует возможность регулировки расхода газа (постоянного для любых режимов сварки), вследствие большой инерционности системы подачи газа происходит значительный непроизводительный его расход.

Газовая камера отсекателя (рис. 11)имеет форму цилиндра с размерами

£>, Н, в нижнем сечении которого находятся отверстия диаметром ¿¡, 4\ для подачи и истечения газа, причем отверстие диаметром с!] расположено соосно с осью цилиндра. Расстояние между центрами отверстий равно 5.

Оптимальные размеры газовой камеры отсекателя определялись с учётом экспериментальных данных, полученных на основе серии пятифакторных опытов. В ходе экспериментов каждый из факторов (¡2, 5, £>, Н принимал пять значений из интервала, заведомо перекрывающего оптимальные значения. Для уменьшения числа опытов была использована идея «латинского (магического) квадрата» с применением рандомизированных блоков (факторный эксперимент). В этом случае для анализа влияния пяти факторов при пяти значениях каждого фактора на качество сварного шва и времени стабилизации системы подачи газа достаточно провести 25 экспериментов.

Рис. 11. Схема конструкции отсекателя газа

Главным условием факторного планирования является обеспечение ортогональности всех «латинских квадратов», составленных для различных факторов по его вариантам. Такая система выборочных факторов позволяет судить о влиянии каждого из них на интересующий результат.

Для обеспечения качества сварного шва и минимального времени стабилизации системы подачи газа /с достаточно выполнение следующих условий:

5) ■ </,;£> = (12 + 20) • ¿2;Н = (85)

(3,5)'

при этом /с не превышает значения 0,3...0,5 сек.

На основе полученных соотношений была предложена конструкция оптимизированного отсекателя.

Анализ размерностей (я"-теорема) дает возможность с достаточной для инженерных расчетов точностью определить падение давления в отсекателе по формуле

* и/

(86)

где р - плотность газа; () - расход газа; ¿¡"с - безразмерные коэффициенты сопротивлений при расширении и сжатии потока. Значимость влияния коэффициентов и ¿¿с на перепад давления АР3 проверялась на основе дисперсионного анализа с помощью /■'-критерия Фишера.

После обработки экспериментальных данных рекомендованы следующие

значения коэффициентов сопротивлений:

^=2,5 + ^:^*12. (87)

На основе экспериментальных данных разработана и внедрена в производство конструкция отсекателя защитного газа, обеспечивающая значительный экономический эффект сварки в СО2.

Предложены конструкции облегченного держателя , токоподводящих наконечников для сварки в СО2, пресса для изготовления изоляционных втулок к сварочным горелкам, станков для очистки и намотки сварочной проволоки, устройства для сборки под сварку резервуаров из обечаек, установок для сварки, исследованы технологические свойства нового покрытия, предложены способ централизованного обеспечения сварочных постов углекислым газом и многопостовые системы питания сварочным током.

Предложена методика расчета стабилизированного режима подачи защитного газа и рекомендации для разработки оптимальной конструкции системы подачи газа (рис. 13).

Следует отметить, что при истечении газа из сопла в потоке не должно быть макровихрей, т.е. поток не должен быть закрученным. Условие отсутствия макровихрей в системе подачи газа накладывает ограничения на размеры газовой камеры. Экспериментально установлено, что необходимо обеспечить

выполнение следующих соотношении:

<*'- , п , . п ,

-^ = 1..3;-- = 12...20;~ = 3...5. (88)

а2 с12 Н

Падение давления с достаточной для инженерных расчетов точностью .можно определить змпиричсскои формулой

^.щЦЬ.&г). т

ТГ ~ I Л * г! * 1

У и 2 " з ;

в которой коэффициенты местных сопротивлений и (расширение и сжатие потока) определены по формуле (87).

Общий перепад давления в системе подача газа для обеспечения заданного расхода Q должен обеспечиваться разностью давления р] источника газа и атмосферного давления ро, т.е. р]~ ро=Ар.

Таким образом, предложена следующая методика расчета стабилизированного режима системы подачи газа в зону сварки через отсекатель. Исходя из параметров газа и его расхода определяется критический диаметр а резиновых шлангов. Если диаметры шлангов больше с1, то течение газа ламинарное, в противном случае - турбулентное. Определяются перепады давления р2 и рз и перепад давления в отсекателе р4 по формулам (89) и (87).

Предложенная методика обеспечивает относительную ошибку <10...15% защитного газа.

8.2. Разработка состава покрытия для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла [1,74]

Получение химического состава эмульсии и ее изменение в процессе сварки можно рассматривать как химические реакции:

1. Известна химическая формула КБЖ:

ШдШОз + Н280з + Н20.

2. Введением в водный раствор КБЖ мыла и кальцинированной соды получается равновесная система:

ШДКОз + Н280з + Н20 + С17Н33СО(Жа + Ка2С03 = 0.

3. Мыло служит как ПАВ — вещество для создания щелочной реакции. Гидролиз соды в воде:

Ыа2С03 + НОН -> ЫаОН + С03.

4. При нагревании:

СпНззСООЫа + №ОН -» С17Н36 + Ыа2С03;

КаС03->Ыа20 + С02Т;

С17Н36 + 2602-> 17С02 Т+ 18Н20;

5. Сернистая кислота соединение неустойчивое:

Н2803 -» Н20 + Б02;

2Б02 + 02 гвОз Т.

6. Сульфит аммония при нагревании разлагается:

ШЩЗОз Ш3 + Н20 + 802;

2Б02 + 02 2Б03 Т.

Сухим остатком реакций остается Ыа20. Это вещество играет роль защиты, т.е. препятствует физико-химическому взаимодействию между брызгай и поверхностью металла. Кроме того, газы, образуемые в процессе наложения покрытия, также препятствуют физическому контакту между брызгой и поверхностью металла.

Соотношения компонентов усовершенствованного покрытия подбирались с помощью построения статической модели, которая позволяет найти значение набрызгивания /? (отношения веса прилипших капель к общему весу расплавленной электродной проволоки в процентах от включенных в модель параметров: X— КБЖ, У — мыло; 2 — кальцинированная сода). В общем виде данная задача была представлена как минимизация функции цели Р (х, у, г) при ограничениях: 0 <Х <ах; 0 <У <ау; 0 <2 <а2.

Прежде чем перейти к изложению методики оптимизации, поясним некоторые моменты, связанные с выбором величин, ограничивающих интервалы изменений X, У, 2.

По переменной X были рассмотрены 3 значения, по переменным У,2— 6 значений (табл. 5). Обозначим варианты факторов (переменных) индексами 1, 2, 3,...(Л!}, Х2,Х}, У], У2,...У6,2], 22,...26).

Таблица 5

Варьи рование факторов

г, Г2 Г3 к, г5 Гб

X, X2 Хз X, х2 Хз

27 Х3 X, X? Хз X, х2

г} х2 Хз X, х2 Хз X,

г4 Х1 х2 Хз XI х2 Хз

г, Хз X, V Л2 V лз X, х2

г6 X? Х2 Хз X,

На основе анализа экспериментальных данных была предложена следующая аналитическая зависимость:

Р=С0-

с.

(90)

1 + С!-(х-хоУ + С3-(У-'УоУ + С3-{2~2оУ

где Со, С2, Сз, С4 - коэффициенты, подлежащие определению.

Обозначим через Д значения коэффициентов набрызгивания, полученных экспериментально, а через ¡3 (хь уь гЦ - вычисленные на основе предложенной модели. Пусть

*=11

(91)

Требование минимизации значения е по методу наименьших квадратов приводит к системе уравнений для определения неизвестных Ск (К=0,1,...,4)

С, {.х, -х0У+ С2(у, -у0У + С3{г, - 20)' + С,{х, - х0У + С2(у,: - у0У + С3(г, - г0)2 С1{х1 - х0)2 + С2(у, - уд)2 + С3(г, - 20У

С4 Р,-с0

+ 1

Уп)

Д - с0

С4 Р,-С0

С,

+ 1

■ + 1

- + ^

(у,- - >ъ)2 = 0; 1

Д-Ч)

= и.

Д - со

Решение данной системы дает следующие значения коэффициентов:

С0=96; С]=4-1а5; С7=3-1(Г4\ С3=1-1(Г4-, С,=37; х0=110-,у0=38; г0=23.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что оптимальным составом эмульсии будет следующий: КБЖ «110 г; мыло техническое ^38г; кальцинированная сода «23 г на литр воды, при этом толщина слоя покрытия составит 20...30 мкм и практически полностью исключается сцепление брызг с металлом, а остаются только следы ожогов покрытия.

Заключение

1. Проведено теоретическое обобщение задачи о механизме сцепления брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия и узлами сварочной аппаратуры. Впервые разработаны математические модели теплового взаимодействия брызг расплавленного металла с поверхностями свариваемых деталей и уравнения, позволяющие определить дальность и время полета брызг. Микроструктурным анализом установлена зависимость диаметра пятна межатомного взаимодействия капли и свариваемого металла от температуры подогрева образца и состояния поверхности, а также установлена прочность сцепления капель от площади контактной поверхности.

2. Впервые исследовано влияние параметров, определяющих прочность сцепления капель (брызг) со свариваемой поверхностью. Предложены математические модели, позволяющие оптимизировать указанные параметры с целью снижения трудоемкости удаления капель.

3. Установлено, что сцепление брызг расплавленного металла с поверхностью деталей сварочной аппаратуры и свариваемых изделий происходит за счет механического сцепления с неровностями поверхности, физико-химического сцепления образующихся соединений типа шпинелей и приваривания, основанного на межатомном взаимодействии капли металла с поверхностью свариваемых изделий и деталей сварочной аппаратуры в месте контакта.

4. Установлено, что характер обработки поверхности и ее температура влияют на привариваемость брызг. Механическая зачистка кромок деталей (пескоструйная обработка, очистка наждачным кругом, дробеструйная обработка и в состоянии поставки), а также нагрев увеличивают вероятность приваривания брызг к деталям.

5. Для исключения приваривания брызг к поверхности металла и аппаратуре целесообразно покрывать их защитным покрытием, обладающим высокой энергией активации, и противостоящим разрушению и удалению термическим воздействием брызг.

6. Показано, что причиной снижения сцепления брызг с поверхностью свариваемого металла и сварочной аппаратуры при наличии на них защитных покрытий являются не только потери тепла каплей на разложение (испарение) покрытия, но и возможность отталкивания капли от поверхности газами и парами, выделяемыми при разложении составляющих покрытия, а также остатки разложения покрытия, препятствующие физическому контакту капли с поверхностью металла.

7. Разработаны методики: определения толщины слоя, наносимого на поверхность и нормирования расхода материала покрытий в зависимости от режимов сварки; нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии; расчета экономической эффективности с учетом применения защитных покрытий; расчета стабилизированного режима подачи газа в зону сварки; разработки нового состава покрытия.

8. По единой методике изучено влияние известных покрытий на элек-

трические и технологические характеристики процесса сварки в СОг- Показано, что покрытия типа МЖС, ЦЖС, АЖС и СК влияют на характер протекания

процесса сварки, увеличивают длину дуги и разбрызгивание и приводят к повышению газопылевыделения. Покрытия типа "Дуга - 2М", КБЖ не оказывают значительного влияния на процесс сварки и газопылевыделение.

9. Разработаны новые составы защитных покрытий и эффективные технологии их приготовления и нанесения, включающие покрытия на основе сульфитно-спиртовой барды следующего состава: 1) 20...40 г. мыла, 20...30 г. кальцинированной соды и 50... 100 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 л. воды; 2) 25...45 г. мыла, 15...25 г. кальцинированной соды, 25...50 г. каолина и 60... 110 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 л. воды. Разработанные составы обладают хорошими защитными свойствами, смачиваемостью и термостойкостью и не оказывают влияния на механические свойства и химический состав металла шва.

10.Установлено, что разработанные составы защитных покрытий не оказывают заметного влияния на электрические и технологические характеристики процесса сварки. При толщине покрытия 10.. .20 мкм сцепление брызг со свариваемыми изделиями и деталями аппаратуры практически исключается. Выделение вредных примесей и газов незначительное. При сварке изделий с применением разработанного защитного покрытия возможно получение качественного соединения при сварке в ССЬ в различных пространственных положениях.

11 Разработана и внедрена технология изготовлен-тя и применения защитного покрытия и средств, обеспечивающих процесс сварки, причем на нескольких сварочных постах одновременно.

12.Разработаны и внедрены эффективные средства, снижающие трудоемкость процесса сварки в углекислом газе, такие как устройство для сборки резервуаров из обечаек; установка для сварки; токопроводящие наконечники к горелкам; станки для очистки и намотки сварочной проволоки.

13 .Техническая документация по результатам работы высланы более чем в 100 предприятий страны по их запросам. Результаты работы внедрены на 40 предприятиях, в том числе, на Юргннском машиностроительном заводе, Днепропетровском опытном заводе полимерного машиностроения, Славгород-ском химическом заводе Алтайского края, заводе «Кузбассэлектромотор» (г. Кемерово), "Сибэлектромонтаж", ПО "Вазар (г. Таллин)", и др. Внедрение результатов работы в ПО "ГОМЗ" дало экономический эффект более 400 тыс. рублей (цены на 1990 г.) и социальный эффект, заключающийся в снижении заболеваемости рабочих виброболезнью.

ЛИТЕРАТУРА

I. Федько В.Т. Теория, технология и средства снижения набрызгивания и трудоёмкости при сварке в углекислом газе. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. 432 с.

2. Федько В.Т. Дуговая сварка плавлением: Учеб. пособие. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1994.241 с.

3. Федько В.Т. Электрическая сварочная дуга и перенос электродного металла при сварке: Конспект лекций. Томск: Изд-во ТПУ, 1992. 58 с.

4. Федько В.Т. Курсовая работа и расчёт режимов при дуговой сварке плавлением с применением ЭВМ: Уч. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 1993. 98 с.

5. A.c. 1082582 (СССР). Изоляционная втулка к горелкам для дуговой сварки в защитных газах / Федько В.Т., Лысенко А.Ф. - Опубл. в Б. И. 1984. № 12.

6. A.c. 1099326 (СССР). Изоляционный состав для втулок к сварочным горелкам / Федько В.Т., Басалаев А.И., Пешков А.Н., Лысенко А.Ф., Дергачев В.П. - Опубл. в Б. И. 1984 № 23.

7. A.c. 1206034 (СССР). Горелка для дуговой сварки неплавящимся электродом. Федько В.Т., Дергачёв В.П., Лысенко А.Ф., Смирнов М.А. - Опубл. в Б.И. 1986. №3.

8. A.c. 1238919 (СССР). Устройство для сварки / Федько В.Т., Долгун Б.Г., Князьков А.Ф. - Опубл. в Б.И. 1986. № 23.

9. A.c. 239013 (СССР). Эмульсия для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного металла / Федько В.Т., Махнев А.П. - Опубл. в Б .И. 1969. №47.

10. A.c. 539853 (СССР). Состав для изоляционных втулок к сварочным горелкам / Федько В.Т., Бубенщиков Ю.М., Басалаев А.И., Савоскин A.C. - Опубл. в Б. И. 1976. № 47.

11. A.c. 833764 (СССР). Состав для изготовления изоляционных втулок к сварочным горелкам / Федько В.Т., Храмушин В.А., Бубенщиков Ю.М., Клопков А.И., Барковская H.A., Тимофеев К.А. - Опубл. в Б. И. 1981 № 20.

12. A.c. 923784 (СССР). Состав покрытия для защиты поверхности от налипания брызг расплавленного металла / Федько В.Т. - Опубл. в Б.И., 1982, № 16.

13. Заявка № 97113533. Состав для изоляционных втулок к сварочным горелкам / Федько В.Т., Томас К.И., Сапожков С.Б.

14. A.c. 963777 (СССР). Установка для сварки / Федько В.Т., Дергачев В.П., Пешков А.Н., Петкау Э.П., Чернов B.C., Лысенко А.Ф., Савоскин A.C. - Опубл. в Б. И. 1982. №37.

15. A.c. 967763 (СССР). Устройство для сборки под сварку резервуаров из обечаек / Федько В.Т., Пешков А.Н., Дергачев В.П., Лысенко А.Ф., Землянов В.В. - Опубл. в Б. И. 1982. № 39.

16. Внедрение новых методов обработки в машиностроении Кузбасса // Материалы конференции. Кемерово, 1970.

17. Заявка № 97113298/20(014389) (положительное решение). Устройство для приготовления и хранения эмульсии / Федько В.Т.

18. Заявка № 97113532/02(014357) (положительное решение). Состав покрытия для защиты от налипания брызг расплавленного металла / Федько В.Т., Томас К.И., Сапожков С.Б.

19. Федько В. Т., Сапожков С. Б. Покрытия для защиты свариваемых изделий от брызг при сварке в СОг // Сварочное производство. 1997. № 2. С. 29-33.

:0. Федько В.Т. Исследование и разработка эффективных средств снижения трудоёмкости сварки в С02: Учеб. пособие. Томск, изд. ТПУ, 1991. 98 с. ;1. Федько В.Т. Исследование, разработка и внедрение комплекса средств снижения набрызгивания и трудоемкости при сварке в углекислом газе: Дис.... канд. техн. наук. Киев, 1974. 235 с.

2. Федько В.Т. Методика нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии при сварке в С02 // Десятая научно-практическая конференция: Сборник трудов и тезисов докладов. Юрга: Изд-во ШУЮ, 1996. 106 с.

3. Федько В.Т. Методика нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии при сварке в углекислом газе // Сварочное производство. 1997. № 8. С. 27-30.

4. Федько В.Т. Методика расчёта минимальной толщины слоя покрытия свариваемого изделия от брызг (капель) для защиты поверхности при сварке в СО? // Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Сборник научных трудов. Томск: Изд-во ТПУ, 1997. С. 120-123.

5. Федько В.Т. Разработка и внедрение средств снижения трудоемкости изготовления сварных металлоконструкций при дуговом плавлении. РКЭ. 433-3493. Регистрационный № у78-861 от 14.09.94. УНТИ «Поиск».

6. Федько В.Т. Смачивание защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий // Сварочное производство. 1997. № 6. С. 9-12.

7. Федько В.Т. Тепловое взаимодействие брызг (капель) расплавленного металла с поверхностью деталей при сварке в СО2 И Сварочное производство.

1 rv ХГ.. 1 1 "I

1УУЭ. J4- 1 I/ Ii. V^. / ,

8. Федько B.T., Банников Е.В., Методика нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии при сварке в углекислом газе // Девятая научно-практическая конференция: Сборник трудов и тезисов докладов. Юрга: Изд-во ТГ1У, 1996. С. 37-4 Г

9. Федько В.Т., Басалаев А.И., Лысенко А.Ф. Патент 2049619 (РФ). Отсека-тель газа.

3. Федько В.Т., Бубенщиков Ю.М. Полуавтоматическая сварка металлоконструкций в углекислом газе // Производственно-технический опыт. 1969. № 8. С. 62-65.

1. Федько В.Т., Бубенщиков Ю.М. Сварка стали в углекислом газе с применением защитного покрытия // Производственно-технический опыт. 1970. № 5. С. 60-61.

I. Федько В.Т., Есаулов В.Н. Методика расчета экономической эффективности при сваркс б СО2 с применением защитных покрытии // Сварочное производство. 1997. № 10. С. 18-19.

3. Федько В.Т., Киянов С.С. Формообразование и теплообмен брызг расплав-пенного металла в процессе сварки в СОг // Сварочное производство. 1992. № 3. с. 29-30.

к Федько В.Т., Лысенко А.Ф., Басалаев А.И. Патент 2009812 (РФ). Способ газовой защиты зоны сварки.

5. Федько В.Т., Маслов A.B., Расчёт параметров, определяющих прочность

сцепления капель (брызг) с поверхностью свариваемого металла при сварке в СОг // Девятая научно-практическая конференция. Сборник трудов и тезисов докладов. -Юрга: Изд. ТПУ, 1996. С. 41-45

36. Федько В.Т., Мирошниченко Г.Н., Исследование реологических свойств покрытий для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла И Девятая научно-практическая конференция. Сборник трудов и тезисов докладов. - Юрга: Изд. ГПУ, 1996. С. 45-46

37. Федько В.Т., Попков А.М. Влияние защитных покрытий на санитарно-гигиенические условия при сварке в углекислом газе // Сварочное производство. 1974. №6. С. 56-57.

38. Федько В.Т., Попков А.М. Эффективность применения покрытий для защиты поверхностей от брызг при дуговой сварке // Сварочное производство.

1974. № 10. С.39-40.

39. Федько В.Т., Попков А.М., Бубенщиков Ю.М., Басалаев А.И. Снижение массы держателя для сварки в углекислом газе // Сварочное производство.

1975. № 5. С. 45.

40. Федько В.Т., Попков А.М., Ковалев Г.Д. Влияние состояния поверхности свариваемого изделия на набрызгивание и потери электродного металла при сварке в углекислом газе // Сварочное производство. 1974. № 8. С. 26-27.

41. Федько В.Т., Сапожков С.Б. Исследование температурных полей капель (брызг) расплавленного металла в месте контакта их с поверхностью свариваемого металла и методика определения толщины покрытия для защиты поверхности сварного изделия от капель (брызг) расплавленного металла // Третья областная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии»: Сб. статей. Томск: Изд-во ТПУ, 1997. С. 111-112.

42. Федько В.Т., Сапожков С.Б. Методика определения теплофизических характеристик покрытий для защиты поверхности сварного изделия от брызг расплавленного металла // Десятая научная конференция: Труды. Юрга: Изд-во ТПУ, 1997. С. 77-79.

43. Федько В.Т., Сапожков С.Б. Методика определения толщины покрытия для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного металла // Сварочное производство. 1997. № 7. С. 15-16.

44. Федько В.Т., Сапожков С.Б. Методика определения толщины покрытия для защиты поверхности сварного изделия от брызг (капель) расплавленного металла // Материалы Российской научно-практической конференции «ОБРАЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ РЕФОРМ: ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ, НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ». Кемерово: Изд-во КемТИПП, 1997. С. 94.

45. Федько В.Т., Сапожков СЛ. Методика определения толщины покрытия для защиты поверхности сварного изделия от капель (брызг) расплавленного металла // Десятая научная конференция: Труды. Юрга: Изд. ТПУ, 1997. С. 75.

46. Федько В.Т., Сапожков С.Б. Обработка результатов пассивного эксперимента путём исследования зависимости толщины слоя защитного помытая от изменяющегося значения теплопроводности этого покрытия // Десятая научная

конференция: Труды. Юрга: Изд-во. ТПУ, 1997. С. 81-83.

Федько В.Т., Сапожков С.Б. Покрытия для защиты свариваемых изделий >т брызг при сварке в С02 // Сварочное производство. 1997. № 2. С. 29-33.

Федько В.Т., Сапожков С.Б., Исследование температурных полей брызг «сплавленного металла в месте контакта их с основным металлом // IX науч-ю-практическая конференция: Сборник трудов и тезисов докладов. - Юрга: 1зд. ТПУ, 1996. С. 18-21.

Федько В.Т., Сапожков С.Б., Исследование температурных полей капель брызг) расплавлешюго металла в месте контакта их с поверхностью свариваемого металла // Материалы Российской научно-практической конференции (ОБРАЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ РЕФОРМ: ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ, НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ». Кемерово. Изд-во КемТИПП, 1997. с. 95.

Федько В.Т., Сапожков С.Б., Томас К.И. Защита поверхности свариваемого 5зделия от брызг расплавленного металла при сварке в С02 // Сварочное производство. 1997. № 7. С. 13-16.

Федько В.Т., Сапожков С.Б., Томас К.И., Анализ применяемых покрытий щя защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного ме--алла при сварке в С02 // Девятая научно-практическая конференция. Сборник рудов и тезисов докладов. - Юрга: Изд. ТПУ, 1996. С. 6-7

Федько В.Т., Слистин А.П. Методика расчета стабилизированного режима ¡истемы подачи газа в зону сварки // Сварочное производство. 1997, X? 3. :. 22-23.

Федько Б.Т., Слистин А.П. Оптимизация конструкции отсекателя б системе подачи газа в зону сварки // Сварочное производство. 1997. № 5. С. 26-28.

Федько В.Т., Старцев П.П., Чинахов A.B., Лысенко А.Ф. Патент 2040402 РФ). Пресс дт:т изготовления изоляционных втулок к сварочным горелкам.

Федько В.Т., Томас К.И. Влияние термостойкости покрытии на эффектив-юсть защиты поверхности свариваемых изделий от брызг (капель) расплав-генного металла И Десятая научная конференция: Труды. Юрга: Изд-во. ТПУ, 997. С. 68.

Федько В.Т., Томас К.И. Влияние термостойкости покрытий на эффектив-юсть защиты поверхности свариваемых изделий от брызг (капель) расплав-генного металла // Материалы Российской научно-практической конференции (ОБРАЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ РЕФОРМ: ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ, НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ». Кемерово: Изд-во КемТИПП, 1997. С. 93

Федько В.Т., Томас К.И. Влияние термостойкости покрытий на эффектив-юсть защиты поверхности свариваемых изделий от брызг (капель) расплав-генного металла // Третья областная научно-практическая конференция сту-(ентов, аспирантов и молодых учёных «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ПЕХНОЛОГИИ»: Сб. статей. Томск: Изд-во ТПУ, 1997. С. 116.

Федько В.Т., Томас К.И. Влияние термостойкости покрытий на эффектив-юсть защиты поверхности свариваемых изделий от брызг (капель) расплав-генного металла. Десятая научная конференция. Труды. Юрга: Изд-во. ТПУЮ, ¡997. 140 с.

59. Федько В.Т., Томас К.И. Влияние термостойкости покрытий на эффективность защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла // Сварочное производство. 1997. № 7. с. 14-15.

60. Федько В.Т., Томас К.И. Исследование смачивания защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий // Третья областная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «СОВРЕМЕННЫ! ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»: Сб. статей. Томск: Изд-во ТПУ, 1997 С. 110-111.

61. Федько В.Т., Томас К.И. Исследование смачивания защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий. Десятая научная конференция. Труды Юрга: Изд-во. ШУЮ, 1997.140 с.

62. Федько В.Т., Томас К.И. Методика нормирования расхода покрытий до* защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металлг при сваке в С02 // Девятая научно-практическая конференция: Сборник трудо! и тезисов докладов. Юрга: Изд. ТПУ, 1996. С. 26-27.

63. Федько В.Т., Томас К.И. Методика нормирования расхода покрытий дш защиты свариваемого металла от брызг при сварке в С02 П Сварочное производство. 1997. № 4. С. 20-22.

64. Федько В.Т., Томас КЛ. Методика определения толщины слоя защигаогс покрытия по расходу материала // Девятая научно-практическая конференция Сборник трудов и тезисов докладов. Юрга: Изд-во. ТПУ, 1996. С. 28.

65. Федько В.Т., Томас К.И. Пресс для изготовления изоляционных втулок i сварочным горелкам // Сварочное производство. 1996. № 11. С. 39-41.

66. Федько В.Т., Томас К.И., Исследование смачивания защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий // Материалы Российской научно практической конференции «ОБРАЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ РЕФОРМ ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ, НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ». Кемерово: Изд-во Кем ТИПП, 1997. С. 96

67. Федько В.Т., Томас КЛ., Сапожков С.Б. Защита поверхности свариваемогс изделия от брызг расплавленного металла при сварке в С02 // Сварочное про изводство. 1997. № 7. С. 13-16.

68. Fedko V.T. Mechanism of bonding of splashed metal (droplets) with the surfacf of welded metal // Welding International. 1998. № 12. S. 58-59.

69. Fedko V.T., Sapozhkov S3. Method of determining the thickness of the coating for protecting the surface of welded components against molten metal splashes / Welding International. 1998. № 12. S. 60-62.

70. Fedko V.T., Tomas K.I. Effect of the heat resistance of coating on the efficiency of protecting the surface of welded components against splashed metal droplets / Welding International. 1998. № 12. S. 59-60.

71. Fedko V.T., Tomas K.I. Wetting the surface of welded components bj protective coatings // Welding International. 1998. № 12. S. 47-49.

72. V.T. Fedko. New Technologies of Welding in C02 // Scientific conference New-York, 1994.

73. Федько B.T. Пути повышения социального и экономического эффекта

при сварке в С02 // Сварочное производство. 1994. №1. С. 20-22.

Федько В.Т., Слистин А.П. Разработка состава покрытия для защиты поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла // Сварочное производство. 1998. №6. С.40-41.

ь// ,

-4"" I »

/

Хх „ / ^ -

Томский политехнический университет

^ Г~ г ^ ^ На правах ру^жи'^

доктора^

ус^г^г^^ ... лау

Федько Валериан Тимофеевич

Теоретические основы технологии и средства снижения набрызгивания и уменьшения трудоемкости сварки в углекислом газе

Специальность 05.03.01 - процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент Специальность 05.03.06 - технология и машины сварочного

производства

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 1998

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.И. Верещагин

доктор технических наук, профессор Н.Г. Дюргеров

доктор технических наук, профессор В.В. Марусин Ведущая организация: ПО «Красмаш» г. Красноярск

Защита состоится « Л » М диссертационного Совета Д 063.34, техническом университете по адрес Маркса, 20.

С диссертацией в виде на библиотеке Новосибирского государ!

Диссертация в виде научного доклад

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

едании знном <арла

,я в

1998 г.

Г.С. Юрьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что наибольшая доля затрат при сварке в С02 приходится на зарплату и сварочные материалы. Поэтому для повышения экономической эффективности сварки в СОг необходимо в первую очередь снижать расходы по этим статьям. Это может быть достигнуто уменьшением сечения разделки и катета шва за счет увеличения проплавляющей способности дуги, уменьшением разбрызгивания, увеличением коэффициента наплавки и скорости сварки, экономией расхода СОг и снижением стоимости защитного газа, уменьшением трудоемкости изготовления сварных конструкций, увеличением ресурса работы сварочной аппаратуры.

Сварка в углекислом газе является высокопроизводительным процессом, но имеет существенный недостаток, заключающийся в повышенном разбрызгивании металла, что ведет к сцеплению капель металла с поверхностью свариваемых деталей и элементов сварочной аппаратуры. Трудоемкость зачистки сварных соединений от брызг весьма значительна и в некоторых случаях достигает 30-40% трудоемкости всего процесса сварки, а трудоемкость зачистки деталей сварочной аппаратуры составляет 10-15% от нее [1,2,20, 21,25].

Процесс зачистки осуществляется ручными шлифовальными машинами и вибромолотками, уровни виброскоростей которых, как правило, превышают санитарные нормы, что приводит к виброболезни рабочих, занятых на этой операции. Анализ заболеваемости виброболезнью рабочих показывает, что предрасположенность их к этой болезни появляется через 7-8 лет работы, а сама виброболезнь наступает уже к 10 годам работы [73].

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

Решению указанной проблемы посвящены работы Б.Е. Патона, АР. По-тапьевского, В.Я. Лаврищева, И.И. Зарубы, Н.Г. Дюргерова, А.И. Акулова, В.К. Лебедева, Н.Ф. Медведенко, A.M. Попкова, В.В. Степанова, Ю.Н. Сараева, ,.Ф. Князькова, Н.М. Будника, а также работы сотрудников кафедр сварки Че-%нркого государственного политехнического университета, Уральского го. /»ственного политехнического университета, МГТУ им. Баумана и др. Ис-сдования по снижению разбрызгивания металла при сварке в углекислом газе . /гея в двух направлениях. Первое направление заключается в выборе режи-- j сварки, уменьшении величины тока короткого замыкания за счет введения систему "источник питания - электрическая дуга" индуктивного или активного сопротивления; в создании систем, обеспечивающих кратковременное снижение мощности взрыва жидкой перемычки между каплей и электродом в на-лх ьный период горения дуги после короткого замыкания; в разработке и при-ении новых сварочных материалов и приемов сварки; в окислении поверх-;ти брызг защитным газом.

Второе направление характеризуется использованием различных защитных покрытий. Применение известных защитных покрытий и известными способами сдерживается из - за высокой стоимости и низких технико-экономических показателей; ухудшения санитарно-гигиенических условий труда; отсутствия конкретных рекомендаций по выбору состава защитных покрытий, оптимальной толщины слоя покрытия наносимого на поверхность деталей свариваемого изделия и сварочной аппаратуры.

Решение указанных задач является актуальной проблемой применения высокопроизводительной сварки в углекислом газе.

Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать технологию и средства снижения набрызгивания на поверхности свариваемых деталей и элементов сварочной аппаратуры, для этого необходимо изучить механизм сцепления брызг металла с поверхностями указанных деталей; исследовать влияние состава защитных покрытий на технологические и электрические характеристики процесса сварки; разработать технологию приготовления и нанесения покрытий; создать методику расчета толщины слоя защитного покрытия и его расхода с целью эффективного применения указанного способа сварки.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с помощью методов математической статистики, планирования многофакторного эксперимента, апробированных методов математического анализа, эвристических методов (изобретения, патенты).

Часть задач решена численными методами на ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях и цехах завода, на экспериментальных образцах и серийно выпускаемых установках.

Научная новизна. Проведено теоретическое обобщение задачи о механизме сцепления брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия и узлами сварочной аппаратуры. Разработаны математические модели теплового взаимодействия брызг расплавленного металла с поверхностями свариваемых деталей и уравнения, позволяющие определить дальность и время полета брызг. Микроструктурным анализом установлена зависимость диаметра пятна межатомного взаимодействия капли и свариваемого металла от температуры подогрева образца (в диапазоне температур от 150 до 800°С) и состояния поверхности, а также установлена прочность сцепления капель от площади контактной поверхности.

Определены параметры: значение ударной силы; радиус площадки контакта капли и распределение поверхностных давлений, влияющие на прочность сцепления капель (брызг) со свариваемой поверхностью. Разработаны математические модели, позволяющие оптимизировать указанные параметры с целью снижения трудоемкости при удалении капель.

Установлено, что сцепление брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемых деталей и элементами сварочной аппаратуры происходит за счет механического сцепления с неровностями поверхности, физико-химического сцепления образующихся соединений типа шпинелей и привари-

вания, основанного на межатомном взаимодействии капли металла с поверхностью свариваемых изделий и деталей аппаратуры в месте контакта.

Показано влияние защитных покрытий на электрические и технологические показатели процесса сварки, технико-экономические и санитарно-гигиенические характеристики.

В результате исследований разработаны новые составы защитных покрытий и эффективные технологии их изготовления и нанесения, включающие покрытия на основе сульфитно-спиртовой барды следующего состава: 1) 20...40 г. мыла, 20...30 г. кальцинированной соды и 50... 100 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 л. воды; 2) 25...45 г. мыла, 15...25 г. кальцинированной соды, 25...50 г. каолина и 60... 110 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 л. воды. Разработанные составы обладают хорошими защитными свойствами, смачиваемостью и термостойкостью и не оказывают влияния на механические свойства и химический состав металла шва.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы доведены до конкретных математических зависимостей и методик, удобных для проведения инженерных расчетов, результаты которых могут быть использованы при выборе рациональной технологии изготовления сварных конструкций с помощью сварки в углекислом газе с применением защитных покрытий; а также при оптимизации конструкции отсекателя в системе подачи газа в зону сварки.

Разработаны методики: определения толщины слоя, наносимого на поверхность, и нормирования расхода материала покрытий в зависимости от режимов сварки; нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии; расчета экономической эффективности с учетом применения защитных покрытий; расчета стабилизированного режима подачи газа в зону сварки; разработки нового состава покрытия.

Разработаны и внедрены эффективные средства, снижающие трудоемкость процесса сварки в углекислом газе, такие как устройство для сборки резервуаров из обечаек; установка для сварки; токоподводящие наконечники к горелкам; станки для очистки и намотки сварочной проволоки.

Разработана и внедрена технология изготовления и применения защитного покрытия и средств, обеспечивающих процесс сварки, причем на нескольких сварочных постах одновременно.

Предложен метод расчета ожидаемой продолжительности работы горелки до момента очистки ее от брызг в зависимости от режимов сварки и диаметра сопла горелки.

По результатам исследований разработаны два стандарта предприятия, а конструкции средств, обеспечивающих разработанный процесс сварки, защищены 17 авторскими свидетельствами и патентами.

Результаты работы широко внедрены на Днепропетровском опытном заводе полимерного машиностроения, Славгородском химическом заводе Алтайского края, заводе «Кузбассэлектромотор» (г. Кемерово) и др.

Внедрение результатов работы в ПО "ЮМЗ" дало экономический эффект

более 400 тыс. рублей (цены на 1990 г.) и социальный эффект, заключающийся в снижении заболеваемости рабочих виброболезнью.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: I научно-технической конференции молодых специалистов Юргинского машиностроительного завода (1969), III областной научно-технической конференции "Внедрение новых методов обработки в машиностроении Кузбасса" (Кемерово, 1970), XXVII научно-технической конференции Челябинского политехнического института (1974), областном семинаре секции сварочного производства НТО Машпром (Кемерово, 1974) и обсуждались на семинарах ЧПИ, УПИ, КПИ и Института электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в 1977-1979 гг., III научно-методической конференции ММФ ТПИ (Томск, 1990), на Первой совместной российско-американской деловой конференции, посвященной проблемам науки, технологии и конверсии военной промышленности (США, Нью-Йорк, Международный институт материалов и технологий, 1994), IX научно-практической конференции(Юрга, 1996), 3-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1997), Российской научно-практической конференции "Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования" (Юрга, 1997), X научной конференции, посвященной 40-летию Юргинского филиала Томского Политехнического Университета, "Технология и оборудование машиностроительных производств" (Юрга, 1997). Переведены издательством Великобритании и вошли в международный сборник "Welding International" статьи "Влияние термостойкости покрытий на эффективность защиты поверхности свариваемых изделий от брызг (капель) расплавленного металла", "Исследование смачивания защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий", "Механизм сцепления брызг (капель) с поверхностью свариваемого металла" и "Методика определения толщины покрытия для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного металла".

Практические разработки: держатель, металлокерамическая изоляционная втулка к горелкам для сварки в СО2, механический диафрагменный отсека-тель газа, механизм (приставка) автоматического регулирования вылета электродной проволоки, устройство для сборки под сварку, горелка для аргоно -дуговой сварки, эмульсия для защиты поверхности свариваемых изделий и сварочных горелок от брызг расплавленного металла при сварке в С02 экспонировались на ВДНХ СССР. Механизм (приставка) автоматического регулирования вылета электродной проволоки, держатель для сварки в углекислом газе, металлокерамическая изоляционная втулка удостоены бронзовой и серебряной медалей.

Публикации. В диссертации обобщены результаты научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии автора в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя в период с 1968 по 1997 гг. в области разработки теоретических основ, технологии и средств снижения набрызгивания и уменьшения трудоемкости работ сварки в СОг-

Всего по теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 105 работ, из которых 25 - в центральных и международных изданиях, получено 17 авторских свидетельств и патентов. В конце автореферата приведен список 74 публикаций, в которых отражено основное содержание работы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- механизм сцепления брызг расплавленного металла с поверхностями свариваемых деталей;

- параметры, влияющие на прочность сцепления брызг с поверхностями свариваемого металла, и способы уменьшения указанной прочности;

- защитные покрытия и требования к их характеристикам;

- влияние защитных покрытий на электрические и технологические характеристики процесса сварки;

- методика разработки состава защитного покрытия и рекомендации по его изготовлению и применению;

- методика расчета требуемой толщины покрытия и его расхода в зависимости от режимов сварки;

- методика расчета эффективных средств сварки, обеспечивающих минимальную трудоемкость изготовления сварных соединений;

- способ повышения технико-экономических показателей процесса сварки и методика расчета этих показателей и санитарно-гигиенических характеристик.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Наиболее эффективным и дешевым способом предотвращения набрызги-вания является нанесение защитных покрытий, состав которых подбирают эмпирически [21]. В предлагаемой работе изучен механизм сцепления капель расплавленного металла с поверхностью свариваемой детали, определены параметры, характеризующие прочность сцепления капель с поверхностью свариваемого металла, выявлены компоненты, входящие в состав защитных покрытий, и установлено влияние защитных покрытий на электрические и технологические характеристики процесса сварки, технологические свойства защитных покрытий, нормирование их расхода и разработана методика определения толщины слоя, наносимого на поверхность свариваемого изделия, исследованы технико-экономические и санитарно-гигиенические характеристики сварки в СОг с применением защитных покрытий, разработаны эффективные средства, снижающие трудоемкость изготовления сварных изделий при дуговой сварке в углекислом газе, способ приготовления и нанесения защитных покрытий на поверхность свариваемых изделий.

1. Механизм сцепления брызг (капель) с поверхностью свариваемого металла при сварке в СО2

1.1. Формообразование и теплообмен брызг (капель) расплавленного металла в процессе сварки в СО2 [1, 2,20,33]

Известно, что при сварке в защитных газах наблюдается разбрызгивание капель разных размеров [3, 21]. Под действием сил поверхностного натяжения капля приобретает сферическую форму. Рассмотрим движение капель диаметром <¿=1,0.. .4,0 мм, как наиболее трудноудаляемых с поверхности изделий. В процессе полета капля охлаждается, чему способствуют три одновременно протекающих процесса: теплопроводность, конвекция и излучение. В данном случае достаточно рассмотреть изменение энергии капли за счет конвекции и излучения.

Ввиду малых размеров капли и наличия пленки окислов на ее поверхности температуру капли в любой момент времени можно считать одинаковой по всему объему.

Известны работы по определению температуры капель расплавленного электродного металла в начальный момент их отрыва от торца электрода, однако методики, изложенные в них, не позволяют определять температуру капель в момент их контакта с поверхностью свариваемого изделия. Калориметрический метод невозможно использовать из-за неуправляемости процесса разбрызгивания. Поэтому сделана попытка ориентировочно расчетным методом определить температуру капель в момент их контакта с поверхностью свариваемого изделия. После соответствующих преобразований известных из курса теплофизики уравнений теплообмена