ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДА ЭЛЕМЕНТОВ В НАПЛАВЛЕННЫЙ МЕТАЛЛ ПРИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СОСТАВА ПОКРЫТИЙ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
|
Актуальность работы. В настоящее время большая часть сварочных электродов выпускается, как правило, без надзора разработчиков. Для снижения себестоимости электродов предприятия-производители модернизируют состав шихты покрытий, часто в ущерб их качественным характеристикам. В тоже время, состав шихты покрытия сварочных электродов не всегда оптимизирован по количеству ферросплавов и других компонентов. Однако, именно состав шихты и параметры режима сварки определяют химический состав наплавленного металла, а значит и качественные характеристики сварного соединения.
На сегодняшний день состав металла шва (наплавленного металла) определяется на основе усредненных коэффициентов перехода, зависящих от конкретных условий сварки и не позволяющих прогнозировать состав и свойства металла при изменившихся условиях. Соответственно, их необходимо определять экспериментально для каждого способа сварки и элемента отдельно. Это требует больших материальных и временных затрат.
Прогнозирование химического состава шва открывает возможность совершенствования процесса сварки еще на стадии проектирования путем подбора необходимых сварочных материалов и параметров режима, которые обеспечат необходимые эксплуатационные характеристики металла. В связи с этим разработка методов прогнозирования физико-химических процессов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами на основе метода полного материального баланса и создание методики, позволяющей оптимизировать состава покрытий сварочных электродов, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. До сих пор были исследованы процессы перехода отдельных элементов на основании сравнения исходного состава и состава металла шва. Однако на сегодняшний день нет целостной системы, есть только отдельные данные «было - стало». При ручной дуговой сварке покрытыми электродами формируются капли металла и шлака, определяющие состав наплавленного металла и сварочно-технологические свойства материалов: формирование поверхности шва, отделимость шлаковой корки, возможность сварки в различных пространственных положениях и др. Капли формируются при плавлении стержня и покрытия электрода и взаимодействии образовавшихся фаз друг с другом и газом. Процессы взаимодействия фаз, протекающие на различных стадиях нагрева и плавления электрода, определяют их конечный состав.
По указанной тематике можно отметить научные работы известных исследователей И.К. Походни, В.В. Подгаецкого, А.А. Ерохина, Г.Л. Петрова, А.А. Буки, Н.Н.Потапова, В.Н. Бороненкова, С. С1аиззеп и др.
Однако, имеющиеся в литературе модели и методы прогнозирования состава металла шва при ручной дуговой сварке либо используют данные и соотношения, которые недостаточно достоверны и трудноопределимы (площадь контакта металл-шлак, температура капель, время и скорость взаимодействия фаз), либо дают полуколичественные результаты.
В связи с этим в работе проведены исследования, позволившие оценить результаты процессов, протекающих в твердой фазе, капле и металлической ванне, определить усредненные и парциальные коэффициенты перехода элементов и выявить их взаимосвязь с параметрами режима и характеристиками сварочных электродов.
Цель работы: разработать методику расчета и совершенствования состава покрытия сварочных электродов на основе моделирования процессов в системе металл-шлак-газ.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. На основе анализа литературных данных по методикам прогнозирования состава фаз при ручной дуговой сварке покрытыми электродами разработать физическую и математическую модели процессов взаимодействия с использованием метода полного материального баланса.
2. Разработать методику проведения экспериментов по исследованию влияния параметров режима на процессы взаимодействия при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, учитывающую испарение и разбрызгивание, и провести эксперименты с электродами разных марок.
3. Осуществить обработку экспериментальных данных для определения усредненного и парциальных коэффициентов перехода элементов в наплавленный металл и металл шва и их зависимостей от параметров режима сварки.
4. Оценить адекватность разработанных моделей и полученных экспериментальных и расчетных результатов.
5. Разработать методику расчета состава покрытий сварочных электродов.
Научная новизна работы:
- разработаны физическая и математическая модели процессов взаимодействия фаз на основе применения метода полного материального баланса при ручной дуговой сварке покрытыми электродами;
- впервые определены коэффициенты перехода углерода, марганца, кремния и титана из металлической и шлаковой фаз в наплавленный металл и металл шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами и их зависимости от параметров режима;
- впервые определены зависимости потерь металла и шлака от параметров режима при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- разработана экспериментально-теоретическая методика определения усредненных и парциальных коэффициентов перехода элементов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами;
- получены зависимости доли участия основного металла, массы металлической и шлаковой ванн от параметров режима сварки и характеристик сварочных электродов для низкоуглеродистых низколегированных сталей;
- на основании полученных в работе закономерностей перехода элементов в наплавленный металл при ручной дуговой сварке предложена методика расчета и совершенствования состава шихты покрытий сварочных электродов.
Методология и методы диссертационного исследования. Для достижения поставленной цели было использовано сочетание теоретических, экспериментальных и вычислительных методов исследований.
Для проведения экспериментов была скомпонована установка, состоящая из стола с токоподводом, механизма перемещения горелки Noboruder NB-2SV и источника питания Шторм Lorch Х350. Параметры режима сварки фиксировали с помощью измерительного блока БИ-01 (Selma).
Площадь сечения сварного шва определяли измерением макрошлифов наплавленных образцов с помощью программы «Компас-3DV12».
С применением методов дисперсионного и регрессионного анализов провели статистическую обработку экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
- разработанные на основе метода полного материального баланса физическая и математическая модели ручной дуговой сварки покрытыми электродами;
- расчетно-экспериментальная методика определения усредненных и парциальных коэффициентов перехода элементов в наплавленный металл и металл шва при ручной дуговой сварки покрытыми электродами;
- значения показателей, определяющих формирование состава наплавленного металла и металла шва при ручной дуговой сварки покрытыми электродами низкоуглеродистых и низколегированных сталей, и их зависимости от параметров режима и характеристик электродов;
- методика расчета и совершенствования состава шихты покрытия сварочных электродов.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается применением современных методов исследований и большим объемом экспериментального материала, обработанным с использованием методов математической статистики. Положения и выводы по работе не противоречат известным научным представлениям и результатам.
Апробация работы:
Основные результаты работы доложены и обсуждены на V международной конференции по математическому моделированию и компьютерному анализу материалов и технологий (г. Ариэль, Израиль, 2008 г.), Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2009 г.), на научно-технических конференциях «Сварка и » в рамках IX Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2009 г.), «Сварка и диагностика» в рамках X Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2010 г.), «Сварка и диагностика» в рамках XI Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2011 г.), на Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2012 г.), Техноген-2012 (Екатеринбург, 2012 г.), «Сварка и диагностика» в рамках XII Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2012 г.), «Сварка и диагностика» в рамках XIV Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2014 г.), XXV научно-техническая конференция сварщиков Урала и Сибири «Современные проблемы сварочного производства» (Челябинск, 2014 г.), «Актуальные проблемы современной науки и техники» (Пермь, 2015 г.), III международная электронная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в соединении материалов-2015 (Тула, 2015 г.), «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2015 г.), «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» в рамках международного молодежного научно-промышленного форума «Прорыв» в рамках промышленной выставки «Иннопром-2015» (Екатеринбург, 2015 г.).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках г/б тем № Н.979.42Б.001/12 «Исследование и компьютерное моделирование процессов нагрева, плавления и взаимодействия материалов для создания научных основ прогнозирования высокотемпературных процессов при сварке, наплавке и нанесении покрытий» и № Н979.42Б.002/14 «Исследование физических и химических процессов в зоне сварки для создания научных основ оптимизации технологий и разработки материалов».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 4 работы в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений А, Б и В. Работа изложена на 131 странице, содержит 12 рисунков, 34 таблицы. Библиографический список содержит 116 наименований.
На сегодняшний день состав металла шва (наплавленного металла) определяется на основе усредненных коэффициентов перехода, зависящих от конкретных условий сварки и не позволяющих прогнозировать состав и свойства металла при изменившихся условиях. Соответственно, их необходимо определять экспериментально для каждого способа сварки и элемента отдельно. Это требует больших материальных и временных затрат.
Прогнозирование химического состава шва открывает возможность совершенствования процесса сварки еще на стадии проектирования путем подбора необходимых сварочных материалов и параметров режима, которые обеспечат необходимые эксплуатационные характеристики металла. В связи с этим разработка методов прогнозирования физико-химических процессов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами на основе метода полного материального баланса и создание методики, позволяющей оптимизировать состава покрытий сварочных электродов, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. До сих пор были исследованы процессы перехода отдельных элементов на основании сравнения исходного состава и состава металла шва. Однако на сегодняшний день нет целостной системы, есть только отдельные данные «было - стало». При ручной дуговой сварке покрытыми электродами формируются капли металла и шлака, определяющие состав наплавленного металла и сварочно-технологические свойства материалов: формирование поверхности шва, отделимость шлаковой корки, возможность сварки в различных пространственных положениях и др. Капли формируются при плавлении стержня и покрытия электрода и взаимодействии образовавшихся фаз друг с другом и газом. Процессы взаимодействия фаз, протекающие на различных стадиях нагрева и плавления электрода, определяют их конечный состав.
По указанной тематике можно отметить научные работы известных исследователей И.К. Походни, В.В. Подгаецкого, А.А. Ерохина, Г.Л. Петрова, А.А. Буки, Н.Н.Потапова, В.Н. Бороненкова, С. С1аиззеп и др.
Однако, имеющиеся в литературе модели и методы прогнозирования состава металла шва при ручной дуговой сварке либо используют данные и соотношения, которые недостаточно достоверны и трудноопределимы (площадь контакта металл-шлак, температура капель, время и скорость взаимодействия фаз), либо дают полуколичественные результаты.
В связи с этим в работе проведены исследования, позволившие оценить результаты процессов, протекающих в твердой фазе, капле и металлической ванне, определить усредненные и парциальные коэффициенты перехода элементов и выявить их взаимосвязь с параметрами режима и характеристиками сварочных электродов.
Цель работы: разработать методику расчета и совершенствования состава покрытия сварочных электродов на основе моделирования процессов в системе металл-шлак-газ.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. На основе анализа литературных данных по методикам прогнозирования состава фаз при ручной дуговой сварке покрытыми электродами разработать физическую и математическую модели процессов взаимодействия с использованием метода полного материального баланса.
2. Разработать методику проведения экспериментов по исследованию влияния параметров режима на процессы взаимодействия при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, учитывающую испарение и разбрызгивание, и провести эксперименты с электродами разных марок.
3. Осуществить обработку экспериментальных данных для определения усредненного и парциальных коэффициентов перехода элементов в наплавленный металл и металл шва и их зависимостей от параметров режима сварки.
4. Оценить адекватность разработанных моделей и полученных экспериментальных и расчетных результатов.
5. Разработать методику расчета состава покрытий сварочных электродов.
Научная новизна работы:
- разработаны физическая и математическая модели процессов взаимодействия фаз на основе применения метода полного материального баланса при ручной дуговой сварке покрытыми электродами;
- впервые определены коэффициенты перехода углерода, марганца, кремния и титана из металлической и шлаковой фаз в наплавленный металл и металл шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами и их зависимости от параметров режима;
- впервые определены зависимости потерь металла и шлака от параметров режима при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- разработана экспериментально-теоретическая методика определения усредненных и парциальных коэффициентов перехода элементов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами;
- получены зависимости доли участия основного металла, массы металлической и шлаковой ванн от параметров режима сварки и характеристик сварочных электродов для низкоуглеродистых низколегированных сталей;
- на основании полученных в работе закономерностей перехода элементов в наплавленный металл при ручной дуговой сварке предложена методика расчета и совершенствования состава шихты покрытий сварочных электродов.
Методология и методы диссертационного исследования. Для достижения поставленной цели было использовано сочетание теоретических, экспериментальных и вычислительных методов исследований.
Для проведения экспериментов была скомпонована установка, состоящая из стола с токоподводом, механизма перемещения горелки Noboruder NB-2SV и источника питания Шторм Lorch Х350. Параметры режима сварки фиксировали с помощью измерительного блока БИ-01 (Selma).
Площадь сечения сварного шва определяли измерением макрошлифов наплавленных образцов с помощью программы «Компас-3DV12».
С применением методов дисперсионного и регрессионного анализов провели статистическую обработку экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
- разработанные на основе метода полного материального баланса физическая и математическая модели ручной дуговой сварки покрытыми электродами;
- расчетно-экспериментальная методика определения усредненных и парциальных коэффициентов перехода элементов в наплавленный металл и металл шва при ручной дуговой сварки покрытыми электродами;
- значения показателей, определяющих формирование состава наплавленного металла и металла шва при ручной дуговой сварки покрытыми электродами низкоуглеродистых и низколегированных сталей, и их зависимости от параметров режима и характеристик электродов;
- методика расчета и совершенствования состава шихты покрытия сварочных электродов.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается применением современных методов исследований и большим объемом экспериментального материала, обработанным с использованием методов математической статистики. Положения и выводы по работе не противоречат известным научным представлениям и результатам.
Апробация работы:
Основные результаты работы доложены и обсуждены на V международной конференции по математическому моделированию и компьютерному анализу материалов и технологий (г. Ариэль, Израиль, 2008 г.), Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2009 г.), на научно-технических конференциях «Сварка и » в рамках IX Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2009 г.), «Сварка и диагностика» в рамках X Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2010 г.), «Сварка и диагностика» в рамках XI Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2011 г.), на Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2012 г.), Техноген-2012 (Екатеринбург, 2012 г.), «Сварка и диагностика» в рамках XII Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2012 г.), «Сварка и диагностика» в рамках XIV Международной специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2014 г.), XXV научно-техническая конференция сварщиков Урала и Сибири «Современные проблемы сварочного производства» (Челябинск, 2014 г.), «Актуальные проблемы современной науки и техники» (Пермь, 2015 г.), III международная электронная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в соединении материалов-2015 (Тула, 2015 г.), «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2015 г.), «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» в рамках международного молодежного научно-промышленного форума «Прорыв» в рамках промышленной выставки «Иннопром-2015» (Екатеринбург, 2015 г.).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках г/б тем № Н.979.42Б.001/12 «Исследование и компьютерное моделирование процессов нагрева, плавления и взаимодействия материалов для создания научных основ прогнозирования высокотемпературных процессов при сварке, наплавке и нанесении покрытий» и № Н979.42Б.002/14 «Исследование физических и химических процессов в зоне сварки для создания научных основ оптимизации технологий и разработки материалов».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 4 работы в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений А, Б и В. Работа изложена на 131 странице, содержит 12 рисунков, 34 таблицы. Библиографический список содержит 116 наименований.
По итогам выполнения диссертационной работы можно сформулировать следующие выводы, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы:
1. Разработаны физическая и математическая модели ручной дуговой сварки покрытыми электродами, основанные на полном материальном балансе элементов в металле и шлаке, учитывающие структуру процесса, взаимодействие и перенос компонентов, а также формирование металлической и шлаковой ванн.
2. Установлена адекватность физической и математической моделей на основе сравнения усредненных коэффициентов перехода элементов, рассчитанных по полученным уравнениям и независимым экспериментальным данным для 10 марок электродов.
3. Разработана методика проведения экспериментов по исследованию влияния параметров режима на процессы взаимодействия при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, учитывающая потери металла и шлака, в том числе на испарение и разбрызгивание.
4. Впервые определены парциальные коэффициенты перехода элементов из металлических и шлаковых фаз при ручной дуговой сварке покрытыми электродами марок УОНИ 13/45, УОНИ 13/55 и МР-3 и их зависимости от параметров режима, которые могут быть распространены практически на все марки электродов, предназначенных для сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей.
5. На основе обработки экспериментальных данных получены регрессионные уравнения, позволяющие оценивать потери металла и шлака при ручной дуговой сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей покрытыми электродами в зависимости от параметров режима процесса.
6. Впервые получены зависимости доли участия основного металла, масс металлической и шлаковой ванн от параметров режима сварки и характеристик покрытых электродов.
7. На основании разработанной математической модели и полученных регрессионных уравнений предложена методика расчета и совершенствования состава шихты покрытий сварочных электродов.
8. Сравнение рассчитанного состава шихты и данных технических условий на изготовление электродов УОНИ 13/45 показали применимость разработанной методики для оценки количества ферросплавов в покрытии сварочных электродов.
Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в следующем:
- проведение экспериментально-теоретического исследования перехода элементов в наплавленный металл и металл шва при сварке порошковой проволокой и электродами других типов (по прочностным характеристикам, по типу покрытия, по назначению);
- применение описанной методики расчета на предприятиях по выпуску сварочных материалов для совершенствования состава шихты покрытия электродов и разработки новых электродов;
- использование полученных закономерностей перехода элементов в наплавленный металла и металл шва при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение».
1. Разработаны физическая и математическая модели ручной дуговой сварки покрытыми электродами, основанные на полном материальном балансе элементов в металле и шлаке, учитывающие структуру процесса, взаимодействие и перенос компонентов, а также формирование металлической и шлаковой ванн.
2. Установлена адекватность физической и математической моделей на основе сравнения усредненных коэффициентов перехода элементов, рассчитанных по полученным уравнениям и независимым экспериментальным данным для 10 марок электродов.
3. Разработана методика проведения экспериментов по исследованию влияния параметров режима на процессы взаимодействия при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, учитывающая потери металла и шлака, в том числе на испарение и разбрызгивание.
4. Впервые определены парциальные коэффициенты перехода элементов из металлических и шлаковых фаз при ручной дуговой сварке покрытыми электродами марок УОНИ 13/45, УОНИ 13/55 и МР-3 и их зависимости от параметров режима, которые могут быть распространены практически на все марки электродов, предназначенных для сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей.
5. На основе обработки экспериментальных данных получены регрессионные уравнения, позволяющие оценивать потери металла и шлака при ручной дуговой сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей покрытыми электродами в зависимости от параметров режима процесса.
6. Впервые получены зависимости доли участия основного металла, масс металлической и шлаковой ванн от параметров режима сварки и характеристик покрытых электродов.
7. На основании разработанной математической модели и полученных регрессионных уравнений предложена методика расчета и совершенствования состава шихты покрытий сварочных электродов.
8. Сравнение рассчитанного состава шихты и данных технических условий на изготовление электродов УОНИ 13/45 показали применимость разработанной методики для оценки количества ферросплавов в покрытии сварочных электродов.
Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в следующем:
- проведение экспериментально-теоретического исследования перехода элементов в наплавленный металл и металл шва при сварке порошковой проволокой и электродами других типов (по прочностным характеристикам, по типу покрытия, по назначению);
- применение описанной методики расчета на предприятиях по выпуску сварочных материалов для совершенствования состава шихты покрытия электродов и разработки новых электродов;
- использование полученных закономерностей перехода элементов в наплавленный металла и металл шва при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение».