X
Ваше имя*:
Ваш e-mail*:
№ телефона:
Текст Вашего обращения*:
Прикрепить :
* - обязательны для заполнения

8 (812)953-86-80 +7 (921)880-29-80

e-mail: sparkking@yandex.ru

Круглосуточно!

Без выходных


Раздел: СТАТЬИ

Исследование влияния режимов полуавтоматической сварки в смесях газов

Исследование влияния режимов полуавтоматической сварки в смесях газов и вида переноса электродного металла на химический состав и механические свойства наплавленного металла.

Традиционно существует мнение, что технология сварки определяет сочетание режимных параметров оборудования и режимов расплавления применяемых сварочных материалов. При этом свойства сварного соединения определяются составом сварочных материалов. Легирование сварочных материалов определяется сложившимися традициями и известными данными по переходу легирующих элементов в металл шва. Однако, в последние 10 лет, в связи с интенсивным развитием сварочного оборудования, этот традиционный подход несколько устарел. С применением новых сварочных установок появились различия в принципах разработки сварочных материалов для полуавтоматической сварки, что связано с различным переходом легирующих элементов в металл шва при изменении режимов работы сварочного оборудования. Основа этих различий кроется в традициях, а именно в хронологии промышленного развития и применения техники полуавтоматической сварки, которая определяла виды рименяющихся сварочных материалов и, соответственно, подходы к формированию технологии полуавтоматической сварки. Традиционно развитие установок для полуавтоматической сварки шло в следующей последовательности:

1. Выпрямители со ступенчатым переключением напряжения (выпрямители ВС-300, ВС-600 фирмы ИТС, серия ЭСАБ-МИГ фирмы ЭСАБ, фирм МИЛЛЕР, КЕМППИ и многих других) выпускаются с конца 60-х годов. Практически каждая фирма, выпускающая сварочное оборудование, выпускает такие установки, которые являются основой массовой продукции. В объеме фирмы ИТС, например, они занимают до 30-40% всех установок для полуавтоматической сварки. Главной областью их применения является сварка длиной дугой, в области струйного переноса электродного металла, при напряжениях более 24В, в области токов 250А и более. При напряжениях на дуге, пониженных менее 20В эти выпрямители работают нестабильно и практически не применяются. Пространственное положение при сварке сплошными проволоками – преобладающе нижнее, порошковыми проволоками рутилового и основного типа – любое. Для сварки на таких установках традиционно применялась сварочная проволока типа Св-08Г2С, порошковые проволоки с повышенным содержанием марганца. Для получения сварных соединений с заданными механическими свойствами, принималось, что значительная часть легирующих элементов, входящих в состав сварочной проволоки, будет выгорать. На рис.1 представлен выпрямитель ВС-300.

2. Тиристорные выпрямители типа ВДУ-505,506, 1250 фирмы ИТС и завода «ЭЛЕКТРИК», LAW-520,420, LAE 1250 фирмы ЭСАБ и других фирм, обеспечивают возможность некоторого, незначительно, снижения напряжения на дуге при полуавтоматической сварке по сравнению с выпрямителями по п.1. Выпускаются с конца 70-х годов. Минимальное напряжение на дуге, при котором обеспечивается стабильная сварка, составляет порядка 19В при изменении токах дуги от 150 А до максимальных значений. Выпуск этих установок составляет до 30% от всего объема выпуска всех установок для полуавтоматической сварки. Появление этих установок, особенно, ВДУ-506, привлекло внимание специалистов к изучению процесса сварки с короткими замыканиями. Эти исследования не были доведены до конца в связи с техническими ограничениями того времени по дальнейшему снижению напряжения на дуге и невозможностью расширения диапазона режимных параметров сварки в режиме коротких замыканий. На рис.2 представлен выпрямитель ВДУ-1250.

3. Инверторные установки, имеющие возможность работы в импульсном режиме (режим «1 импульс – 1 капля»). Выпуск таких установок на западных заводах широко начался с конца 80-х годов и продолжается по настоящее время. В СССР промышленно освоен не был. В России только фирма «ТЕХНОТРОН» серийно выпускает установки такого типа. Технические особенности таких установках позволили изменять ток дуги в широких пределах от 50 до 400А, однако, напряжение на дуге при этом остается достаточно высоким, более 20В. Поэтому, говорить о качественном скачке в возможности обеспечить перенос электродного металла в области короткой дуги, не приходится. Налицо расширение технологических возможностей сварочных установок по п.1. Каких-то новых исследований технологии сварки, свойств металла шва и сварочных материалов при применении этих установок не проводилось.

4. Тиристорные выпрямители типа DC-400, 600, 1000 фирмы «Линкольн Электрик», США стоят особняком в этом перечне. Они выпускаются с 80-х годов. Причиной успеха установок стало то, что эта фирма впервые, осознано, перешла к изучению влияния вида переноса электродного металла на свойства сварного шва. В установках типа DC впервые стали формировать импульсы тока специальной формы для стабильной работы в области коротких замыканий. Напряжение на дуге стало возможным снижать до 17,5 В при токе дуги от 100А до максимальных значений, что позволило устойчиво выполнять сварку во всех пространственных положениях.

5. Инверторный источник питания типа Invertec STT 2 фирмы «Линкольн Электрик», США, выпускается с 90-х годов. Имеет ограничения по диаметрам применяемой сварочной проволоки. Главной заслугой этой установки, явилась стабильная работа именно в области короткой дуги, преимущественно, при формировании корневого шва. Одновременно рекомендовалось применение сварочных проволок с пониженным содержанием марганца около 1%.

6. Установки типа ДК фирмы ИТС выпускаются с конца 90-х годов, обеспечивают работу во всем диапазоне напряжений на дуге (от 13 до 30В) при токах дуги от 60 до 500А. Таким образом, впервые появилась возможность перекрыть весь диапазон изменения напряжения на дуге при использовании одной сварочной установки и обеспечить, соответственно, все виды переноса электродного металла при полуавтоматической сварке. Ограничений по диаметру проволок не имеется. На рис.3 представлен выпрямитель ВД-506ДК.

При разработке установок типа ДК, особое внимание было уделено формированию специального импульса тока дуги при переносе электродного материала. В промышленность был внедрен новый процесс сварки, получивший название ВКЗ – вынужденные короткие замыкания. Способ сварки и устройство для его осуществления запатентованы. Отличительной чертой установки ВД-506ДК является то, что на ней стабильно осуществляется процесс сварки длиной дугой – струйный процесс (напряжение более 21В), процесс сварки в среднем диапазоне напряжений (от 17,5 до 20В) – получивший название «захоложенная струя» и процесс сварки короткой дугой в диапазоне малых напряжений (от 13 до 17,5 В) – процесс ВКЗ.

Понятие «захоложенная струя» - это специфический термин, означающий, как отмечалось выше, работу в среднем диапазоне напряжений, когда процесс сварки является очень похожим на струйный, однако с элементами коротких замыканий, продолжительностью не более 5 мс, следующих с частотой более 100Гц. Наличие таких коротких замыканий является существенным технологическим фактором, стабилизирующим сварочную ванну в различных пространственных положениях. Процесс широко применяется в судостроении и нефтегазовом комплексе при сварке порошковыми проволоками.

ВКЗ-процесс – характерен для выпрямителей типа ВД-506ДК, с 2002 г. активно применяется в ОАО «ТРАНСНЕФТЬ» для сварки корня шва, в судостроении – для сварки всех слоев шва во всех пространственных положениях, с 2006г – будет прописан в стандарт ОАО «ГАЗПРОМ». Процесс ВКЗ позволяет дозировать тепловложение и количество присадочного метала в сварочной ванне. Тем самым создается равновесие по силовым факторам, действующим на сварочную ванну и оптимальная вязкость сварочной ванны. К числу этих силовых факторов относится: величина давления дуги, поверхностное натяжение и собственный вес расплавленного металла. Процесс ВКЗ является процессом с «холодным» переносом электродного металла, имеет минимальные размеры сварочной ванны и требует специальной техники сварки. Достаточно подробно описан в литературе /1,2/.

В первых двух описанных выше видах переноса электродного металла (струйный процесс и «захоложенная струя») используются стандартные сварочные материалы, как сплошного сечения, так и порошковые проволоки.

В последнем случае, при процессе ВКЗ, как показывают исследования, использование стандартных сварочных материалов приводит к значительному изменению химсостава наплавленного металла по сравнению с традиционными методами сварки и, соответственно, к изменению механических и вязкопластических свойств металла шва по сравнению со стандартными данными.

Работа в области низких напряжений на дуге (ВКЗ-процессе) целесообразна прежде всего при сварке во всех пространственных положениях для стабилизации сварочной ванны при использовании широкого диапазона разделок кромок свариваемого металла. Другим преимуществом такого метода сварки является минимальный нагрев свариваемого изделия, что снижает термические деформации. Очень перспективна эта технология при автоматической сварке в среде защитных газов во всех пространственных положениях и сварке закаливающихся и экономно легированных сталей. Широко применяется при сварке корневого шва с обратным формированием. На рис.4 представлен процесс сварки газопровода «Ямал-Европа» методом ВКЗ.

В таблице 1 приведены полученные обобщенные данные по химсоставу металла шва в зависимости от режимов сварки. При сварке использовалась металлопорошковая проволока МЕГАФИЛЛ 710М, фирмы «Drahtzug Stein», Германия, установка ВД-506ДК с механизмом подачи ПДГО-511.

Использовались все три режима переноса электродного металла, характерные для установки ВД-506ДК– режим ВКЗ (вынужденные короткие замыкания), режим «холодной струи» и режим струйного переноса.

Исследования проводились одновременно на фирме «Drahtzug Stein» и в ЦНИИ КМ «Прометей».

В работах ООО «Институт-ВНИИСТ», Москва также проводились исследования химсостава металла, наплавленного металлопорошковой проволокой МЕГАФИЛЛ 710М, у разных производителей сварочных работ, использующих установки типа ВД-506ДК. Режимы сварки использовались в следующем диапазоне: ток дуги 160-210А, напряжение на дуге 15-19В. В таблице 2 приведены полученные данные.

Для более полного анализа полученных результатов приведем данные по химсоставу и механическим свойствам наплавленного металла других производителей сварочных проволок. Данные приведены в таблице 3.

Таблица 3. Механические свойства и химсостав наплавленного металла разных производителей сварочной проволоки сплошного сечения и порошковых (последние 2 строки).

По ГОСТ 2246-70 регламентирован следующий состав наплавленного металла (табл.4).

Таблица 4. ГОСТ 2248-70. Проволока стальная сварочная.

По данным ООО «Институт-ВНИИСТ», при указанном выше диапазоне режимов сварки, при применении стандартной металлопорошковой проволоки МЕГАФИЛЛ-710М получены данные, приведенные в таблицах 5,6.

Как следует из анализа данных таблицы 1, вид переноса электродного металла оказывает существенное влияние на химсостав наплавленного металла. Чем больше напряжение на дуге, тем больше длина дуги и время нахождения электродного металла в зоне высоких температур и, соответственно, больше выгорание легирующих элементов. Наиболее зависимым от вида переноса электродного металла является марганец, содержание которого может изменяться в диапазоне 1,27% (повышенные напряжения) - 1,87% (ВКЗ-процесс). Содержание других элементов менее зависит от вида переноса электродного металла.

Эти данные подтверждаются результатами ВНИИСТ, где установили, что имеются серьезные расхождения (1,77 - 2.05% Mn) в составе металла шва, наплавленного на одном оборудовании (ВД-506ДК) при разных режимах и использовании одной и той же электродной проволоки.

Из анализа данных таблиц 3,4 следует, что различные производители сварочных материалов, использовали при проверке сварочных проволок различные виды сварочного оборудования, и в качестве одного из главных факторов изменения свойств металла шва используют изменение содержания марганца.

Из анализа данных таблиц 5,6 следует, что, изменяя режимы сварки, при применении одного и того же сварочного оборудования и стандартных сварочных материалов можно получить значительный разброс свойств сварного соединения, в зависимости от вида переноса электродного металла, который определяется сварочным напряжением.

При этом можно получить как экстремально высокие значения механических и вязкопластических свойств металла шва, так и стандартные значения. Это определяется различной степенью перехода легирующих элементов в металл шва.

Наиболее стабильный состав металла шва наблюдается в случае ВКЗ-процесса, но стандартные составы сварочных материалов, рассчитанные на высокую степень выгорания легирующих, не обеспечивают оптимального химсостава металла шва в этом случае.

Вышесказанное привело к необходимости разработки нового сварочного материала, который бы учитывал специфику работы сварочных источников тока. Такой материал разработан совместно НПФ «ИТС», ООО «Институт-ВНИИСТ» и фирмой «Drahtzug Stein», Германия, на основе бесшовной металлопорошковой проволоки МЕГАФИЛЛ - 710М. При разработке новой проволоки были учтены особенности массопереноса в области короткой дуги – процесса ВКЗ.

Новая проволока получила название POWER PIPE 60M. Выпускается в Германии, по Российским ТУ1274-020-11143754-2005. Владельцем ТУ является ЗАО НПФ «ИТС».

На рис.5 представлен макрошлиф сварного соединения, выполненного методом ВКЗ металлопорошковой проволокой «POWER PIPE 60M» в смеси газов. Корневой проход с обратным формированием также выполнен методом ВКЗ в углекислом газе, проволокой сплошного сечения типа L-56.

Рис.5 Макрошлифы сварного соединения в вертикальном пространственном положении, выполненного методом ВКЗ металлопорошковой проволокой «POWER PIPE 60M» в смеси газов (ток дуги 185А, напряжение на дуге 15В).

Рис.5А – в направлении «сверху-вниз». Рис.5Б- в направлении «снизу- вверх».

Как следует из рис.5., при использовании предельно низких сварочных напряжений, что свойственно для выпрямителей типа ДК, не возникает непроваров в любом пространственном положении и направлении сварки. Возможность использования таких напряжений при сварке является отличительной чертой этих выпрямителей.

В таблице 7 приведены параметры металла шва, выполненного новой проволокой в режимах ВКЗ и струйного переноса.

Из анализа данных, приведенных в таблицах 5-7, легко сделать вывод, что сочетание процесса ВКЗ и нового сварочного материала позволяет получить высокие механические и вязко-пластические свойства сварного соединения при экономном легировании металла шва. Достаточно высокие результаты получены и в режиме струйного переноса.

Это очень важно, так как ранее, указанные свойства можно было получить только при применении сварочных проволок с содержанием никеля не менее, чем 1,5-2.2%. Такое легирование, несмотря на повышение общего уровня свойств сварного соединения ведет к появлению других проблем, например, к увеличению микротвердости металла шва более 290 HV. Это делает проблематичным применение сварного соединения в конструкциях со знакопеременными нагрузками. При использовании проволоки POWER PIPE 60M, микротвердость металла шва не превышает 240 HV10.

Из анализа таблицы 7 следует, что использование новой проволоки позволяет вести сварку не только в процессе ВКЗ, но и в традиционном режиме струйного переноса электродного металла. Различаются эти режимы напряжением на дуге и различной степенью перехода легирующих элементов, прежде всего марганца, в металл шва. Это определяет некоторое различие механических и вязко-пластических свойств сварного соединения, выполненного при разном режиме переноса электродного металла.

При струйном переносе, снижение содержания марганца ведет к уменьшению прочностных характеристик сварного соединения и к увеличению ударной вязкости, а при ВКЗ-процессе, степень перехода марганца в металл шва увеличивается, что ведет к повышению прочностных характеристик и к уменьшению ударной вязкости сварного соединения. Следует отметить, что все данные испытаний находятся на высоком уровне и при всех режимах переноса превышают результаты аналогичных испытаний с использованием стандартных материалов и сварочного оборудования.

Применение того или иного режима переноса электродного металла (ВКЗ или струйный перенос), определяется требуемыми пространственным положением при сварке и прочностными свойствами сварного соединения. Процесс ВКЗ универсален с точки зрения пространственного положения, процесс струйного переноса – более применим при сварке в нижнем пространственном положении.

Использование сварочных проволок со стандартным составом не позволяет получить стабильные характеристики наплавленного металла и свойства сварного соединения в различных диапазонах параметров, что обусловлено вышеуказанными причинами.

Однако использование процесса ВКЗ даже при применении стандартных сварочных материалов позволяет повысить свойства сварного соединения по сравнению с традиционными методами переноса электродного металла.

Например, по данным ООО «ДзержинскВНХМ», использование установки фирмы «ФРОНИУС» с обычной длиной дуги и металлопорошковой проволоки МЕГАФИЛЛ 710М при сварке сталей типа 09Г2С в вертикальном пространственном положении (снизу-вверх) позволяет получить ударную вязкость металла шва в диапазоне 28-33 Дж/см2 при температуре -400С, в то время, как при ВКЗ-процессе, использовании той же проволоки на установке типа ВД-506ДК – в диапазоне 52-59 Дж/см2 при этой температуре.

Из анализа данных таблицы 5 следует также, что при применении процесса ВКЗ и стандартной проволоки сплошного сечения, также происходит повышение свойств сварного соединения.

Полученные данные объясняются тем, что при процессе ВКЗ происходит снижение тока дуги в момент перехода капли электродного металла в сварочную ванну, что приводит к снижению погонной энергии при сварке и к меньшему нагреву зоны сварного соединения /2/. Малую зону термического влияния отчетливо видно на рис.5.

Таким образом, мы имеем «холодный» перенос электродного металла в сварочную ванну и за счет регулирования тепловложения в сварочную ванну и ее вязкости, можем эффективно использовать эту возможность при разработке технологии сварки всех слоев шва, включая корневые проходы, с образованием обратного валика на весу во всех пространственных положениях.

Выводы:

1. Разработка и серийный выпуск выпрямителей нового поколения типа ВД-506ДК, работающих в широкой области каплепереноса электродного металла, позволили оптимизировать технологии сварки различных слоев сварного шва.

2. Установлено влияние на свойства сварных соединений вида переноса электродного металла. С изменением вида переноса электродного металла, изменяется химсостав наплавленного металла при использовании одной и той же проволоки. Вид переноса электродного металла определяется величиной напряжения на дуге.

3. В зависимости от задач – повышение прочности или ударной вязкости сварного соединения, появляется возможность за счет изменения напряжения на дуге и вида переноса электродного металла, в пределах 40% изменять величину указанных характеристик металла шва. Требуемый диапазон изменения напряжения на дуге и виды переноса электродного металла обеспечивается источниками типа ДК.

4. Сварка при низких напряжениях на дуге (процесс ВКЗ) кроме того, что обеспечивает возможность регулирования свойств сварного соединения, имеет очень высокую технологичность. Это объясняется тем, что при низких напряжениях на дуги сварочная ванна стабильна во всех пространственных положениях, что особенно актуально при автоматической сварке в защитных газах неповоротных стыков трубопроводов.

5. Разработана также новая металлопорошковая проволока POWER PIPE 60M, которая в оптимальном диапазоне изменения напряжения на дуге обеспечивает получение еще более высоких свойств сварного соединения, достижимых ранее только при использовании никельсодержащих сварочных проволок.

Сварка полуавтоматом осуществляется в таких газах как аргон, углекислота, или их смесей - аргон + углекислота и качество сварки, в зависимости от применения этих газов очень отличается друг от друга. Так же большое значение имеют режимы, выставленные на сварочной установке для проведения работ. Результаты показывают, что разные режимы по разному влияют на переносимый материал и сами заготовки, он может как улучшать свои химические свойства так и разрушать. Правильно подобранные режимы всегда обеспечат сварочный шов необходимой вязкостью и и химическим составом, обеспечивающим надежное и долговечное соединение.

(812)953-86-80

(921)880-29-80


E-mail: sparkking@yandex.ru

Copyright © 2015 ООО "SPARKKING" | Создание сайта "TiNGroup"