Перспективы развития технологий дуговой сварки

в среде защитных газов

В настоящее время в Республике Беларусь выполняется достаточно большой объем сварочных работ. Это связано с тем, что в стране хорошо развит металлоемкий машиностроительный комплекс, сооружаются и модерни­зируются объекты энергетики, идет постоянная реконструкция нефтехими­ческих производств, осуществляются строительные и монтажные работы с использованием сварки конструкционных сталей. Вследствие этого совершенствование технологических процессов сварки, снижение их стоимости, повышение качества сварочных работ является актуальной задачей. Одно из основных направлений развития сварочных технологий – замена широко распространенного способа дуговой сварки в среде СО₂ на сварку в защитных газовых смесях Аr + СО₂, которая обеспечивает более высокие механические свойства сварных соединений и позволяет снизить раз­брызгивание электродного металла. Однако при использовании газовых смесей на базе аргона у потребителей возникает ряд проблем. Во-первых, высокая стоимость Ar, превышающая в несколько раз стоимость CO₂. Во-вторых, отсутствие четких рекомендаций по применению для различных режимов сварки проволок Св-08ГС и Св-08Г2С, разработанных для сварки в CO₂. В-третьих, существуют разного рода мнения о наиболее благоприятном соотношении компонентов (Ar и CO₂) в защитной газовой смеси.

​

Анализируя возможные направления решения этих проблем, следует учитывать, что газовая среда выполняет не только защитную функцию, но и оказывает существенное влияние на процессы, происходящие в различных зонах газовой атмосферы: вытесняет воздух из зоны горения дуги; взаимодействует с расплавленным металлом, насыщая его кислородом и CO; защитная среда влияет также на столб дуги, заставляя его изменить размеры в зависимости от теплопроводности окружающих его газов; обусловливает процесс образования и размеры капель электродного металла.

1.1

1.2

Естественно предположить, что для эффективного протекания этих разнообразных процессов в различных зонах защитной атмосферы должно быть разное соотношение между Аr и СО₂, которое невозможно обеспечить при существующей технологии газовой защиты. Это можно реализовать за счет раздельной независимой подачи газов в зону сварки в виде коаксиальных потоков. Аргон целесообразно подавать по центральному, а СО₂ – по периферийному кольцевому каналу сопла сварочной горелки. Изменяя ско­рости потоков каждого газа, а также размеры сопла сварочной горелки и некоторые другие параметры, можно регулировать степень взаимной инжекции газов и характер их смешивания, а следовательно, в определенной степени добиться требуемого их соотношения в различных зонах защитной газовой атмосферы, минимизируя расход Ar. Такая схема формирования защитной атмосферы описана недостаточно.

1 – кольцевой поток углекислого газа;

2 – центральный струйный поток аргона;

3 – внутренний трубчатый канал сопла горелки;

4 – внешний кольцевой канал сопла горелки

Дуговая сварка с двухструйной коаксиальной подачей компонентов защитной газовой смеси

1 – область плавления электродной проволоки;

2 – область столба дуги; 3 – область сварочной ванны;

4 – периферийное пространство

Области защитной атмосферы дуги при сварке

Коаксиальная

подача компонентов защитной атмосферы

Первым важным этапом работы было исследование особенностей и условий обеспечения кольцевым потоком углекислого газа надежной защиты зоны горения дуги от воздуха. Это является условием реализации предлагаемой технологии газовой защиты, снижения расхода аргона, пода­ваемого по центральному каналу сопла горелки, а также формирования переменной по своему составу атмосферы в зоне сварки.

Для этого была разработана принципиально новая схема такого способа подачи газа и проведено компьютерное моделирование в среде Solid Works Flow Simulation.

а – традиционный вариант сопла и элементов сварочной горелки для сварки с омывающим потоком защитного газа; б – элементы сопла для сварки с кольцевой подачей защитного газа; 1 – сопло сварочной горелки;

2 – поток защитного газа (CO₂); 3 – электродная проволока;

4 – токоподводящий наконечник; 5 – втулка для распределения газового потока; 6 – втулка для уменьшения наружного диаметра кольцевого канала

Схема реализации кольцевой подачи защитного газа в зону сварки

а)

б)

Исследование возможностей кольцевого потока защитного газа (моделирование)

2.1

В расчетах использовался метод конечных объемов. В качестве исходных данных для моделирования использовались геометри­ческие параметры сопла в виде ширины кольцевого канала b (от 1,0 до 4,5 мм), расстояния от сопла до поверхности изделия L_э (от 13 до 20 мм) и скорости потока газа V (от 0,05 до 3,25 м/с).

Целью конечно-элементного моделирования являлось определение основных условий обеспечения кольцевым потоком газовой защиты зоны горения дуги. По результатам моделирования графоаналитически определены значения скоростей потока, обеспечивающие концентрацию углекислого газа вблизи поверхности пластины не менее 95 %, что является используемым критерием гарантии надежной газовой защиты.

Разработана номограмма (рисунок), позволяющая определить эти зна­чения в зависимости от ширины кольцевого канала сопла сварочной горелки b и расстояния от сопла до поверхности свариваемого изделия L_э.

1 – сопло сварочной горелки; 2 – поток защитного газа (CO₂); 3 – электродная проволока; 4 – токоподводящий наконечник; 5 – втулка для распределения газового потока; D – наружный диаметр кольцевого канала; d – внутренний диаметр кольцевого канала; b – ширина кольцевого канала

Геометрические параметры сопла с кольцевой подачей защитного газа

Исследование возможностей кольцевого потока защитного газа (моделирование)

2.2

Для проведения экспериментов по верификации результатов моделирования была изготовлена опытная сварочная горелка с кольцевой подачей защитного газа в зону сварки. При этом заводская конструкция стандартного сопла практически не претерпела изменений за исключением изготовления специального токоподводящего наконечника с резьбой (3), предназначенного для установки специальных газораспределительных сменных втулок различного диаметра (2), внешний вид которых, а также способ их установки на базе горелки Kemppi MMT42W представлены на рисунке.

1- сопло сварочной горелки; 2- сменная газораспределительная втулка; 3- токоподводящий наконечник; 4- место подвода углекислого газа

Газораспределительные втулки (2) выполнены из меди либо латуни и благодаря своей теплопроводности легко очищаются в случае забрызгивания каплями электродного металла. Применение таких втулок позволило реализовать кольцевой поток газа и изменять его ширину путём изменения диаметра втулки, не меняя общей конструкции сопла. Для изменения наружного диаметра кольцевого канала в некоторых опытах использовались специальные кольцевые втулки, устанавливающиеся методом запрессовки непосредственно в сопло.

Исследование возможностей кольцевого потока защитного газа (экспериментальная верификация)

2.3

Для экспериментальной верификации результатов моелирования применялась методика, основанная на уменьшении коли­чества ферритной фазы (δFe) в аустенитно-ферритном наплав­ленном металле при попадании в защитную атмосферу дуги азота из воздуха. Измерения произво­дились при помощи вихретоко­вого ферритометра МВП-2. Азот, являясь сильным аустенизато­ром, приводит к резкому умень­шению количества ферритной фазы, что было использовано в качестве критерия нарушения газовой защиты. По результатам экспериментов определены ми­нимальные расходы углекислого газа, при которых кольцевой поток еще выполняет защитную функцию. Результаты хорошо согласуются с результатами моделирования в случае пересчета значений расходов в скорости потока газа.

Полученные результаты подтверждены комплексом механических испытаний односторонних стыковых сварных соединений пластин на излом. В случае использования расходов углекислого газа, меньших, чем рекомен­дуемые, на поверхности излома наблюдается пористость. Таким образом, по результатам экспериментальных исследований установлено, что скорость потока газа на выходе из сопла горелки является наиболее значимым параметром при проектировании сопел с коаксиальными кольцевыми каналами для подачи защитного газа в зону сварки с точки зрения обеспечения качества газовой защиты. При этом на основании использования методики определения ферритной фазы в наплавленном металле произведена оценка объективности результатов теоретических исследований и их применимости в реальных условиях сварки.

​

Полученные данные обладают достаточной точностью, о чем свидетельствует сравнительная оценка теоретического расчета и результатов экспериментальных исследований.

Исследование возможностей кольцевого потока защитного газа (моделирование)

2.4

Следующим этапом было исследование особенностей формирования защит­ной атмосферы смешиванием потоков при двухструйной независимой коак­сиальной подаче газов с образованием в зоне сварки газовой среды, переменной по своему составу.

Для этого разработана принципиальная схема реализации такого способа подачи газов (рисунок) и проведено компьютерное моделирование в среде Solid Works Flow Simulation. Внешний вид расчетной модели представлен на рисунке. Модель представляет собой осесимметричную конструкцию сопла. Потоки аргона и углекислого газа задаются через специальные площадки (1, 2). Для учета температурного воздействия сварочной дуги между торцом сварочной проволоки и поверхностью пластины (7) смоделирован конический твердотельный элемент (5) с температурой, близкой к температуре дуги.

1 – внешнее сопло; 2 – газоразделительный обтекатель;

3 – электродная проволока; 4 – токоподводящий наконечник;

5 – отверстия для подачи газа в кольцевой канал;

6 – центральный канал; 7 – кольцевой канал

1 – зона генерации потока аргона; 2 – зона генерации потока углекислого газа;

3 – область построения графиков; 4 – расчетная сетка; 5 – зона генерации температуры; 6 – начало координат (исходная точка); 7 – поверхность, имитирующая свариваемую деталь

Расчетная модель

Исследование возможностей двухструйной коаксиальной подачи компонентов защитной газовой смеси в зону сварки (моделирование)

3.1

По результатам численного моделирования построены номограммы объемной доли углекислого газа в образующейся в зоне сварки атмосфере в зависимости от расхода аргона и расстояния от сопла горелки до поверхности изделия. Анализ полученных данных свидетельствует о смешивании газов, причем, чем больше расход аргона, тем меньшее количество углекислого газа подмешивается из кольцевого потока в центральную область и участвует в формировании защитной газовой атмосферы. Полученные данные также показали, что с увеличением расстояния от поверхности изделия по вертикальной оси сопла сварочной горелки и проволоки состав защитной газовой атмосферы изменяется и становится более инертным (уменьшается количество подмешиваемого углекислого газа из кольцевого потока). Это можно объяснить строением струи аргона, истекающего из центрального канала сопла и характеризующегося потенциальным ядром, длина которого зависит от скорости истечения. При этом, согласно теории турбулентных струй, количество подмешиваемого с окружающей среды газа будет увеличиваться с увеличением расстояния от ядра струи в переходной зоне. Неравномерность состава защитной газовой атмосферы по вертикальной оси приводит к некоторым особенностям технологии сварки.

Таким образом, в результате конечно-элементного моделирования определены условия создания в зоне сварочной ванны защитной газовой смеси с заданным содержанием компонентов. В качестве определяющего параметра используется расход аргона Q(Ar), подаваемого по центральному каналу сопла, и расстояние от сопла сварочной горелки до поверхности пластины L_э. Газовая защита при этом обеспечивается кольцевым потоком углекислого газа Q(CO₂), необходимый расход которого выбирается согласно специальной методике.

Исследование возможностей двухструйной коаксиальной подачи компонентов защитной газовой смеси в зону сварки (моделирование)

3.2

Результаты моделирования также сведены в номограмму, представленную на рисунке. Номограмма разработана для сопла сварочной горелки, используемого в исследованиях (ширина кольцевого канала (b) и его внутренний диаметр (d) составляют 2 и 18 мм соответственно), и позволяет выбирать расходы аргона для получения защитных газовых смесей различного состава. На рисунке пунктирными линиями изображен пример определения расхода аргона, позволяющего получить газовую смесь 82%Ar+18%CO₂ в зоне сварочной ванны.

Для этого по вертикальной оси откладывается значение расстояния от сопла до поверхности изделия. В рассмотренном примере это значение L_э=15 мм. Точка пересечения горизонтальной линии, продленной из этого значения, с кривой номограммы, соответствующей значению объемной доли углекислого газа в смеси 18 %, опускается на горизонтальную ось.

Анализ полученных данных позволил определить оптимальные расходы аргона с точки зрения получения в зоне сварки защитных газовых смесей требуемого состава. Это необходимо в случае сварки сталей различных структурных классов, для которых оптимальный состав газовой смеси отличается по содержанию компонентов.

Исследование возможностей двухструйной коаксиальной подачи компонентов защитной газовой смеси в зону сварки (моделирование)

3.3

Для проведения исследований применялся метод осциллографирования электрических параметров в процессе наплавки в автоматическом режиме одиночного валика на пластину. Результаты анализа осциллограмм показали, что использование предлагаемой технологии газовой защиты в случае создания в зоне сварочной ванны защитной среды с соотношением компонентов 82 % Ar + 18 % CO₂ позволяет повысить частоту переноса электродного металла в 2–2,5 раза по сравнению с традиционным способом. Это связано с газодинамическими процессами, протекающими в области столба дуги, и особенностями формирования переменной по своему составу защитной атмосферы.

Определены области наиболее эффективных зна­чений параметров режима (рисунок). Анализ полученных результатов показал, что для предлагаемой техно­логии в случае создания в зоне сварочной ванны защитной среды с соотношением компонентов 82 % Ar + 18 % CO₂ реко­мендуется несколько повысить напря­жение в области значений силы тока 100–200 А по сравнению с традиционной технологией защиты смесью 82 % Ar + 18 % CO₂. Вместе с тем существенно расширяется диапазон регулирования напряжения на дуге. Использование пред­лагаемой технологии позволяет при повы­шении напряжения сдвинуть область перехода к струйному характеру переноса электродного металла к более низким значениям критической силы сварочного тока (170–175 А). Атмосфера, в кото­рой образуются капли электродного металла в этом случае, становиться более инертной из-за повышения напряжения на дуге и связанного с этим увеличения её длины.

1, 2 – области нестабильного процесса; 3 – область оптимальных значений параметров режима; 4 – область струйного переноса электродного металла

Исследование технологических характеристик процесса дуговой сварки с двухструйной коаксиальной подачей компонентов защитной газовой среды

4.1

На базе экспериментов по определению геометрических харак­теристик проплавления основного металла установлено, что процесс сварки с двух­струйной подачей защитного газа в зону горения дуги характеризуется несколько большей глубиной проплавления на токах до 250 А по сравнению с традиционным вариантом подачи в зону сварки смеси 82 % Ar + 18 % CO₂. Полученные данные также свидетельствуют о влиянии способа газовой защиты на коэффициент формы шва. В нем преобладает площадь проплавления над площадью наплавки, что говорит о более рациональном вводе тепловой энергии в зону образования сварного соединения.

​

На основании спектрального оптико-эмиссионного анализа массовой доли содержания химических элементов установлено, что наиболее значи­тельное влияние на переход марганца и кремния из сварочной проволоки в наплавленный металл при сварке по традиционной технологии в среде 82 % Ar + + 18 % CO₂ оказывает напряжение на дуге (изменение значения напряжения �на 5 В в среднем изменяет количество марганца в шве на 15–20 %). По-видимому, это происходит из-за увеличения длины дуги с повышением напряжения, вследствие чего время существования расплавленного металла на стадии капли, когда наиболее интенсивно протекают металлургические реакции, возрастает.

а – традиционная технологии газовой защиты;

б – двухструйная подача защитных газов в зону горения дуги

а)

б)

Исследование технологических характеристик процесса дуговой сварки с двухструйной коаксиальной подачей компонентов защитной газовой среды

4.2

При использовании разработанной технологии с двухструйной подачей газов в зону горения дуги напряжение на дуге оказывает меньшее влияние на изменение содержания элементов раскислителей в наплавленном металле. Графики зависимостей имеют меньший угол наклона к горизонтальной оси. Особенно это хорошо прослеживается на значениях напряжения >22 В. Это объясняется снижением окислительного потенциала защитной газовой атмо­сферы с ростом длины стола дуги, что частично компенсирует потерю элемен­тов из-за уменьшения количества растворенного в жидком металле кислорода.

Наиболее распространенными сварочными проволоками, разработан­ными и широко используемыми для сварки в среде углекислого газа и применяемыми отечественными предприятиями при переходе на защитные газовые смеси Ar + CO₂, являются проволоки типов Св-08ГС и Св-08Г2С, легированные марганцем и кремнием.

При этом, несмотря на широкое распространение таких проволок, недостаточно сведений о преимуществах и рациональных областях их исполь­зования для сварки в среде Ar + CO₂. Кроме того, предлагаемая технология отличается по коэффициенту перехода легирующих элементов из проволоки в наплавленный металла шва, что будет оказывать влияние на конечную струк­туру и комплекс механических свойств. На основании механических испытаний на ударный изгиб ме­талла шва сварных соединений, вы­пол­ненных рассматриваемыми про­волоками, установлено, что легиро­вание шва марганцем свыше 1 % (того количества, которое необ­ходимо для протекания реакций рас­кисления в конкретных условиях) приводит к резкому снижению удар­ной вязкости. Такая ситуация наблюдается в случае использования для сварки в газовых смесях Ar + CO₂ проволок Св-08Г2С. Это происходит из-за существенно меньшего окислитель­ного потенциала атмосферы дуги, снижающего количество растворенного в сварочной ванне кислорода, а следовательно, и необходимое количество элементов раскислителей.

Исследование технологических характеристик процесса дуговой сварки с двухструйной коаксиальной подачей компонентов защитной газовой среды

4.3

5

Установлено, что применение проволок типа Св-08ГС позво­ляет получить наплавленный металл шва при сварке в среде Ar + CO₂ с более высокими значениями удар­ной вяз­кости. Однако на токах свыше 260 А, что соответствует струйному пере­носу электродного металла, преи­мущество использования этих про­во­лок резко снижается, что обуслов­лено недостаточным количеством раскислителей. Применение предлагаемой технологии газовой защиты позво­ляет устранить этот недостаток. Повышение силы сварочного тока и напряжения на дуге в области струйного переноса металла приво­дит к увеличению длины дуги. При этом торец плавящейся электродной проволоки будет оказываться в бо­лее инертной части защитной газовой атмосферы. Это частично компенсирует потерю элементов раскислителей и дает возможность сохранить значения ударной вязкости на необходимом уровне.

Проведенные исследования позволили расширить область рационального применения более дешевой проволоки отечественного произ­водства Св-08ГС по сравнению с традиционно используемой проволокой Св-08Г2С. Полученные результаты также подтверждены комплексом испы­таний сварных соединений на статическое растяжение и статический изгиб.

1 – сварка с двухструйной подачей защитных газов в зону горения дуги проволокой Св-08ГС; 2 – сварка в газовой смеси 82%Ar+18%CO₂ по традиционной технологии проволокой Св-08ГС; 3 – сварка в газовой смеси 82%Ar+18%CO₂ по традиционной технологии проволокой Св-08Г2С;

Особенности применения сварочных материалов

Оборудование и рекомендации

6

По результатам исследований разработана технологическая инструкция, �в которой описаны методика выбора значений параметров режима сварки, расходов защитных газов, рекомендуемые сварочные присадочные материалы, особенности техники сварки и возможные дефекты. Представлены чертежи сопла сварочной горелки и его отдельных элементов. Расчет экономических показателей в виде затрат на защитные газы на метр сварного шва показал, что использование предлагаемой технологии позволяет сократить затраты примерно в 2 раза по сравнению со сваркой в среде 82 % Ar + 18 % CO₂. Изготовлено сопло сва­рочной горелки (рисунок), обеспечивающее независимую подачу газов в зону сварки в виде двух коаксиальных струй.

Результаты работы внедрены в производство при изготовле­нии основной структуры ем­кости циркуляционной систе­мы очистки бурового раствора на ОАО «Сейсмотехника» �(г. Гомель). В диссертации имеется соответствующий акт внедрения, а также приводится экономическое обоснование эф­фекта от внедрения разработки.

1 – внешняя съемная часть сопла;

2 – сопло сварочной горелки;

3 – электродная проволока;

4 – газоподводящие трубки;

5 – газораспределительный штуцер;

6 – шланги для подвода углекислого газа к кольцевому каналу сопла;

7 – сварочная горелка;

8 – полость для стабилизации потока газа

7

1. Раздельная подача двух защитных газов в виде коаксиальных неза­висимых потоков при сварке позволяет создавать газовую среду с переменным по своему составу соотношением компонентов за счет регулирования расходов и скоростей потоков, определяющих степень их газодинамического взаимо­действия, что дает возможность сконцентрировать дорогостоящий аргон в непосредственной близости от плавящейся электродной проволоки, снизив его расход в 3 раза, и повысить частоту переноса капель электродного металла в 2–2,5 раза по сравнению со сваркой по традиционной технологии, а угле­кислый газ сосредоточить на периферийной части в виде кольцевого потока для обеспечения надежной защиты от воздуха, создав условия для максимально эффективного использования и управления процессами, происходящими в зоне сварки, и возможности применения отечественных сварочных материалов.

2. Кольцевой поток CO₂ при определенных условиях позволяет обеспе­чить надежную газовую защиту зоны сварки от воздуха. Установлены эти условия: минимальная скорость потока должна выбираться по разработанной на основании математического моделирования и экспериментальных иссле­дований номограмме в зависимости от ширины кольцевого канала сопла горелки в диапазоне значений от 1,5 до 4,5 мм и расстояния от сопла до изделия в диапазоне значений от 13 до 20 мм и обеспечивать концентрацию углекислого газа вблизи поверхности свариваемого изделия не менее 95 %.

При этих параметрах потока CO₂ существует возможность его газо­динамического взаимодействия и смешивания в необходимых пропорциях со струйным потоком Ar. Скорость потока углекислого газа находится в диапазоне значений от 0,20 до 1,73 м/с, а расход аргона при этом составляет от 2,7 до 5,8 л/мин.

3. Установлено, что при сварке низкоуглеродистых конструкционных сталей Ст3сп и 09Г2С в диапазоне значений силы сварочного тока 180–300 А в аргоносодержащих газовых смесях (82 % Ar + 18 % CO₂) легирование металла шва марганцем свыше 1 % приводит к существенному снижению ударной вязкости, что обусловлено его избытком в наплавленном металле в связи с пониженным, по сравнению со сваркой в среде углекислого газа, окисли­тельным потенциалом защитной атмосферы. Впервые установлено, что умень­шение количества углекислого газа в образующейся защитной среде с увели­чением расстояния от поверхности изделия по вертикальной оси, совпадающей с осью сопла сварочной горелки, с 18 до 5–8 % (остальное Ar) при исполь­зовании разработанной технологии позволяет существенно изменить характер перехода легирующих элементов из проволоки в наплавленный металл шва в диапазоне значений напряжения на дуге 18–26 В, что дает возможность эффективно применить для сварки с использованием значений силы сварочного тока более 260 А проволоку отечественного производства Св-08ГС, обладаю­щую более низкой стоимостью по сравнению с традиционно применяемой.

Основные научные результаты

Разработаны принципиальная схема, конструкция и экспериментальная модель сопла горелки с двухструйной независимой коаксиальной подачей защитных газов в зону сварки. При этом геометрические параметры кольцевых отверстий сопла выбраны с учетом технологичности и исходных геометри­ческих размеров сварочной горелки [4, 5, 16].

​

Разработана технология сварки с двухструйной коаксиальной подачей компонентов защитной газовой среды, позволяющая без снижения механи­ческих свойств сварного соединения уменьшить расход аргона в 3 раза, а также эффек­тивно применить для сварки сталей Ст3сп и 09Г2С в диапазоне значений силы сварочного тока 180–300 А отечественные сварочные проволоки типа Св-08ГС.

​

Разработанная технология применима для сварки активно используе­мой в последнее время низкоуглеродистой низколегированной высокопрочной стали S690QL EN 10025-6 (аналог стали 12ХГН2МА) и позволяет в условиях существенной экономии защитных газов получить равнопрочное сварное соеди­нение, обладающее всем необходимым комплексом механических характеристик.

8

Основные практические резульаты

9

Контакты

Межгосударственное образовательное учреждение высшего образования

Белорусско-Российский университет

Республика Беларусь, г. Могилев, 212000, пр-т Мира, 43

e-mail: bru@bru.by

http://bru.by

​

Кафедра “Оборудование и технология сварочного производства”

Республика Беларусь, г. Могилев, ул. Ленинская, 89, к.109

+375-222-76-16-94

+375-222-76-16-94

e-mail: kafoitsp@gmail.com

http://oitsp.by

​

Заведующий кафедрой, канд. техн. наук, доц.

Коротеев Артур Олегович

+375298454970

e-mail: karatseyeu_artur@fastmail.com