По мере увеличения капли расплавленного металла на торце электрода, скорость его плавления уменьшается, что приводит к сокращению длины дугового промежутка.



Рис. 12. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой без защитной среды (очередность кинокадров сварочного микроцикла 1 - 9)

При этом величина сварочного тока уменьшается, давление дуги на расплавленный металл уменьшается, и сварочная ванна начинает двигаться в направлении непрерывно подаваемого электрода. Короткое замыкание наступает внезапно, поскольку сварочная ванна осуществляет хаотические движения, а поведение металла на торце электрода не предсказуемо и нестабильно. Капля электродного металла непрерывно перемещается по боковой поверхности электрода, делая момент начала короткого замыкания случайным. На интервале короткого замыкания происходит перенос части материала сердечника электрода и расплавившейся его части в сварочную ванну. При этом длительности коротких замыканий несколько больше, чем при переносе электродного металла при сварке проволокой сплошного сечения. Далее происходит перетекание расплавившейся части электрода в сварочную ванну, и в результате совместного действия силы поверхностного натяжения и электродинамической силы происходит образование шейки и последующее ее разрушение (фаза 9, рис. 12). Поскольку разрушение перемычки происходит при пиковом значении тока короткого замыкания, имеют место мощный электрический взрыв перемычки и сильный газодинамический удар, что приводит к разбрызгиванию электродного металла и выплескам капель расплавленного металла из сварочной ванны. Далее весь процесс повторяется.

10. Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой без защиты сварочной ванны в режиме стабилизации процесса плавления и переноса электродного металла во время коротких замыканий дугового промежутка

На рис. 13. приведены кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой без защитной среды со стабилизацией режима.

Рис. 13. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой без защитной среды в режиме управляемого переноса электродного металла во время коротких замыканий дугового промежутка

В момент повторного возбуждения дуги (фаза 2, рис. 13) происходит интенсивное оплавление непрерывно подаваемого электрода. При этом вследствие комплекса сил, действующих на каплю расплавленного металла, она вытесняется на боковую поверхность электрода, где занимает пространственно неустойчивое положение. Анализ кинограмм показывает, что скорость плавления сердечника отстает от скорости плавления оболочки проволоки. Это обстоятельство не позволяет стабилизировать дуговой разряд. Дуга непрерывно перемещается за каплей электродного металла, которая осуществляет круговое перемещение по боковой поверхности электрода. Это обстоятельство обеспечивает постоянное изменение места приложения давления дуги на сварочную ванну, и последняя находится в постоянных нестабильных колебаниях.

С момента повторного зажигания дуги начинается отсчет времени длительности горения дуги в импульсе. После окончания импульса тока происходит выключение сварочного тока. При этом скорость плавления падает, что приводит к принудительному короткому замыканию. Следует заметить, что скорость расплавления оболочки порошковой проволоки и ее сердечника не одинаковы. Первоначально закорачивает дуговой промежуток сердечник проволоки, а затем капля расплавленного металла. Это приводит к включению сварочного тока без ограничения, но при этом еще может существовать дуговой разряд, горящий параллельно сердечнику, закоротившему дуговой промежуток. Данное обстоятельство срывает работу схемы обратной связи, превращая процесс плавления и переноса электродного металла в нестабильный и случайный.

На интервале короткого замыкания вследствие совместного действия силы поверхностного натяжения и электродинамической силы, происходит перетекание капли расплавленного металла с электрода в сварочную ванну.

11. Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде СО2 без стабилизации переноса

На рис. 14 приведены кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде СО2. Анализ кинокадров показывает, что вследствие интенсивного охлаждения столба дуги защитным газом происходит его обжатие и увеличение плотности тока. Это обстоятельство, по-видимому, несколько повышает температуру в столбе дуги, что приводит к некоторому выравниванию скоростей плавления сердечника порошковой проволоки и ее оболочки.

В момент повторного возбуждения дуги происходит интенсивное плавление электрода. Формируемая при этом капля электродного металла вытесняется, вследствие действующих на нее комплекса сил, на боковую поверхность непрерывно подаваемого электрода. Столб дуги более концентрирован по оси. Это приводит к некоторой стабилизации действия давления дуги на сварочную ванну (фазы 4, 5, 6, рис.14).

По мере увеличения размеров капли электродного металла на торце электрода, скорость теплоотвода в сторону не расплавившейся части электрода падает, что сопровождается и некоторым уменьшением силы сварочного тока, и ослаблением давления дуги на сварочную ванну. Результатом этого является уменьшение размеров кратера под дугой и сокращение длины дугового промежутка, что далее приводит к случайному короткому замыканию (фазы 7, 8, 9, рис.14).



Рис. 14. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде СО2 без стабилизации

На интервале короткого замыкания происходит перетекание капли расплавленного металла в сварочную ванну, и под действием силы поверхностного натяжения и электродинамической силы формируется уменьшающаяся в размерах перемычка.

Вследствие того, что скорости плавления оболочки порошковой проволоки и ее сердечника близки, затягивания длительности короткого замыкания не происходит. Пиковое значение, до которого успевает нарасти ток короткого замыкания, несколько ниже, чем в случаях сварки проволокой сплошного сечения, описанных в разделах 4.3.4. и 4.3.5. Тем не менее, в момент повторного возбуждения имеют место электрический взрыв и газодинамический удар, что приводит к разбрызгиванию металла и повышению нестабильности процесса. Далее сварочный процесс повторяется и аналогичен описанному выше.

12. Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде СО2 при увеличенном напряжении на дуге

На рисунке 15 приведены кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой 48ПП-8Н в среде СО2 при увеличенном напряжении на дуге.

Рис. 15. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде СО2 длинной дугой

В момент повторного возбуждения дуги (фаза 1, рис. 15) происходит интенсивное плавление электрода. Вследствие действия комплекса сил на каплю расплавленного металла она вытесняется на боковую поверхность электрода, занимая пространственно неустойчивое положение (фазы 2-3-4-5-6, рис. 15). Обращает на себя внимание тот факт, что скорость плавления сердечника порошковой проволоки отстает от скорости плавления ее оболочки. Это обстоятельство приводит к действию вращательного эффекта сварочной дуги, которая перемещает каплю расплавленного металла вокруг электрода, вызывая нестабильное поведение сварочной ванны. Вследствие высокого значения давления дуги капля электродного металла вырастает до значительных размеров (фазы 4-5-6-7-8, рис. 15). Далее, в основном за счет превалирующего значения веса капли над всеми остальными силами, происходит ее отрыв и перенос электродного металла в сварочную ванну без коротких замыканий дугового промежутка. В целом плавление электродного металла протекает нестабильно, перенос его в сварочную ванну носит случайный характер, что не позволяет классифицировать сварочно-технологические свойства процесса сварки проволоками в среде СО2 с переносом без коротких замыканий дугового промежутка как удовлетворительные.

13. Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковыми проволоками в среде СО2 с импульсной стабилизацией процесса переноса в режиме коротких замыканий дугового промежутка

На рис. 16 приведены кинокадры процесса сварки в среде СО2 с импульсной стабилизацией переноса электродного металла в режиме коротких замыканий дугового промежутка. В момент повторного возбуждения дуги (фазы 1-2, рис. 16) происходит интенсивное плавление электрода во время импульса тока, что приводит к быстрому росту размеров капли расплавленного металла и смещению ее на боковую поверхность вследствие действия комплекса сил на данном интервале микроцикла. Давлением дуги расплавленный металл сварочной ванны вытесняется из-под дуги, образуя кратер, размеры которого постоянно меняются по мере роста капли электродного металла на торце электрода и изменения давления дуги, вызываемого уменьшением силы тока. Это приводит к некоторому замедлению скорости расплавления электрода, и дуговой промежуток начинает сокращаться (фазы 5-6-7, рис. 16). В момент окончания тока импульса сварочный ток уменьшается до уровня тока паузы, что приводит к еще более заметному замедлению скорости плавления электрода. При этом на интервале тока паузы происходит ослабление действия реактивных сил, вытесняющих каплю расплавленного металла на боковую поверхность электрода, и под действием, в основном, силы тяжести и силы поверхностного натяжения капля стремится занять соосное с электродом положение. Кроме того, вследствие уменьшения давления дуги, сварочная ванна активно перемещается в направлении непрерывно подаваемого электрода, и в результате этих взаимонаправленных движений происходит принудительное короткое замыкание (фаза 8, рис. 16). На интервале короткого замыкания происходит перетекание расплавившейся части электродного металла в сварочную ванну, и за счет действия силы поверхностного натяжения и электродинамической силы происходит образование шейки и последующее ее разрушение. Далее процесс плавления и переноса протекает аналогично описанному.

Рис. 16. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде СО2 со стабилизацией

Следует отметить, что скорости плавления оболочки порошковой проволоки и ее сердечника хотя и близки, но все, же несколько отличаются, что приводит к закорачиванию дугового промежутка вначале сердечником, а затем уже каплей расплавленного металла. Это обстоятельство несколько затягивает длительность короткого замыкания, хотя она и остается меньшей по сравнению с длительностями, имеющими место при переносе в вышерассмотренных вариантах сварки. В целом процесс сварки проволокой в среде СО2 при импульсной стабилизации протекает более стабильно.

14. Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона без стабилизации переноса

На рис. 17 приведены кинокадры процесса сварки порошковой проволокой, 1,2 мм, в среде аргона без стабилизации переноса.

Рис.17. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона без стабилизации

Анализ кинокадров сварочного микроцикла показывает, что перенос электродного металла в этом случае протекает без коротких замыканий дугового промежутка. Вследствие хорошей ионизации дугового промежутка столб дуги имеет конусообразную расширяющуюся форму, что обеспечивает низкое значение давления дуги на расплавленный металл сварочной ванны. При этом сварочная ванна осуществляет незначительные колебательные движения, что благоприятно сказывается на формировании шва. Сварка в аргоне характеризуется низкими значениями реактивных сил (по сравнению со сваркой в активных газах). Это приводит к равномерному плавлению электрода, и вследствие действия силы поверхностного натяжения капля расплавленного металла имеет форму шарового сегмента. При этом по мере роста капли на торце электрода, под действием веса капли, она занимает соосное с электродом положение, рис. 17.

По мере дальнейшего увеличения размера капли возрастает ее вес, который совместно с силой поверхностного натяжения и электродинамической силой обеспечивает отрыв капли и ее перемещение в направлении сварочной ванны (фаза 9, рис. 17).

Анализируя характер плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона, следует заметить, что процесс протекает спокойно, хотя периодичность массопереноса не постоянна. Отмеченное обстоятельство может обеспечить приемлемые результаты только при сварке в нижнем положении и не обеспечить требуемого качества в положениях, отличных от нижнего.

15. Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона с импульсной стабилизацией переноса в режиме коротких замыканий дугового промежутка

На рис. 18 кинокадры сварочного микроцикла процесса сварки порошковой проволокой, 1,2 мм, в среде аргона в режиме импульсной стабилизации переноса во время принудительных коротких замыканий дугового промежутка. Анализ кинокадров микроцикла сварочного процесса показывает, что плавление и перенос протекают нестабильно. Имеют место случайные и неполные короткие замыкания, что не обеспечивает стабильности сварочного процесса и приводит к неудовлетворительному формированию.

Рис.18. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона с импульсной стабилизацией процесса

Возможной причиной данного обстоятельства, может быть эффект неравномерной скорости плавления оболочки порошковой проволоки и ее сердечника, что приводит к затягиванию длительности коротких замыканий и преждевременным прекращениям дозирования энергии, идущей на плавление капли электродного металла.

16. Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона с управляемым переносом электродного металла без коротких замыканий дугового промежутка

На рис. 19 и 20 приведены осциллограммы напряжения на дуге и сварочного тока, а также кинокадры сварочного микроцикла с управляемым переносом электродного металла при сварке порошковой проволокой, 1,2 мм в среде аргона.

Рис. 19. Осциллограммы напряжения и тока дуги адаптивного импульсного процесса сварки порошковой проволокой в смеси газов Ar + CO2 с управляемым переносом металла без коротких замыканий дугового промежутка

Рис. 20. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона длинной дугой с управляемым переносом электродного металла без коротких замыканий дугового промежутка

Такой характер переноса электродного металла имеет место на протяжении всего процесса сварки и свидетельствует о высокой стабильности. Изменение частоты следования импульсов тока и его амплитуды приводит к изменению размеров переносимых капель, что создает хорошие условия для ограничения времени пребывания легирующих элементов материала электрода под действием высокой температуры дуги. Следует заметить, что в данном случае имеет место значительное отставание скорости плавления сердечника проволоки от скорости плавления ее оболочки, но это обстоятельство не оказывает влияния на характер переноса и формирования сварочного шва, поскольку не сопровождается короткими замыканиями дугового промежутка.

17. Разработка алгоритмов импульсного управления плавлением и переносом электродного металла проволокой сплошного сечения в среде защитных газов «короткой» и «длинной» дугой, а также порошковой проволокой и покрытыми электродами

Выполненные исследования по изучению кинетики плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну позволили установить, что наиболее эффективным, с точки зрения устранения основных недостатков, является процесс сварки, протекающий в зависимости от мгновенных значений параметров процесса. Такой процесс более устойчив как к постоянно действующим возмущениям на протяжении всего цикла сварки, так и к мгновенным возмущениям, действующим в пределах микроцикла.

Примером процесса сварки, управляемого по мгновенным значениям параметров процесса, который может быть рекомендован для импульсно-дуговой сварки в среде СО2, и удовлетворяющего вышеперечисленным требованиям, является процесс, эпюры тока и напряжения которого представлены на рис.21, а, б, в. Представленный процесс сварки, кроме общепринятых показателей, характеризуется дополнительными параметрами, а именно: Тц - периодом повторения микроциклов; ф1 - паузой в протекании сварочного тока к моменту разрыва перемычки; ф2 - длительностью дозирования энергии плавления электрода; ф3 - паузой в протекании сварочного тока перед коротким замыканием; Iк.з. - пиковым значением тока короткого замыкания; In - значением тока паузы.

Представленный на рис. 21, а) процесс сварки осуществляется следующим образом. По началу короткого замыкания происходит образование устойчивой перемычки между непрерывно подаваемым электродом и сварочной ванной. Перемычка интенсивно разогревается джоулевым теплом и разрушается. При этом по началу разрушения перемычки происходит уменьшение величины тока от пикового значения Iк.з. до величины тока паузы In. Длительность вводимой паузы ф1 задаётся параметрически и определяется временем, необходимым для разрушения перемычки и повторного возбуждения дуги. Повторное возбуждение дуги происходит при величине тока паузы In. После окончания паузы ф2 происходит увеличение сварочного тока до величины горения дуги, причем длительность горения ф2 задается также параметрически и определяется диаметром электродной проволоки, скоростями процесса сварки, вылетом, напряжением холостого хода источника питания и другими параметрами. После окончания времени ф2, задаваемого для расплавления определенного количества электродного металла, происходит уменьшение величины сварочного тока до величины тока паузы In.

Рис. 21. Эпюры токов и напряжений методов сварки со стабилизацией параметров

При этом происходит резкое ограничение скорости плавления электродного металла и ослабление сил, препятствующих переносу электродного металла в сварочную ванну. Капля электродного металла, находящаяся перед этим на боковой поверхности электрода, стремится в этот момент занять соосное с ним положение, а сварочная ванна, не удерживаемая больше давлением дуги, устремляется в направлении непрерывно подаваемого электрода. Вследствие этих взаимонаправленных движений происходит принудительное короткое замыкание. Поначалу короткого замыкания происходит увеличение сварочного тока.

При этом, поскольку ток увеличивается к своему пиковому значению от небольшой величины тока паузы, то происходит благоприятное развитие контакта капли электродного металла и сварочной ванны в первой фазе короткого замыкания, что способствует изменению направления действия электродинамической силы, которая ускоряет образование жидкой перемычки и ее разрушение. В рассмотренном методе сварки начальные условия дозирования энергии плавления электрода могут изменяться от цикла к циклу. Это зависит от пространственного положения капли электродного металла перед коротким замыканием, от подвижности и высоты гребня сварочной ванны, длительности короткого замыкания, скорости подачи и др. Все эти факторы определяют длину дуги в момент повторного возбуждения. Параметрическое дозирование энергии плавления электрода при различной начальной длине дуги приводит к расплавлению различного количества электродного металла к моменту его окончания. При этом, в процессе сварки наблюдается некоторый разброс его мгновенных показателей (Iк.з., tк.з., фк. и др.). Поэтому в процессе сварки дозирование энергии плавления необходимо производить с учетом начальных условий. Это требование было учтено при разработке метода сварки, рис.21, б). При достижении перемычкой критических размеров вводится пауза, на интервале которой происходит ее разрушение. Вследствие отсутствия плавления электродной проволоки на интервале паузы, начальная длина дуги, установившаяся в момент ее повторного возбуждения, быстро сокращается. Сокращение длины дуги вызывает уменьшение дугового напряжения, которое уменьшается до некоторой опорной величины, задаваемой до начала процесса сварки. В момент достижения равенства задаваемой опорной величины напряжения и действительной величины дугового напряжения, происходит увеличение тока и осуществляется дозирование энергии плавления электродного металла, таким образом, дозирование энергии плавления электродного металла осуществляется в рассмотренном методе сварки при постоянных начальных условиях, что способствует стабилизации мгновенных показателей процесса.

Другим примером отработки различных начальных условий при дозировании энергии плавления электродного металла может быть отработка, осуществляемая в методе сварки, рис.21,а. В данном методе сварки пауза к моменту разрушения перемычки задается параметрически и равна ф1. На интервале паузы ф1 происходит интегрирование величины дугового напряжения и в зависимости от нее устанавливается длительность дозирования энергии плавления ф2, т.е., отработка различных начальных условий в данном методе происходит на интервале дозирования энергии плавления.

Представленные методы сварки могут обеспечить хорошие результаты при ведении процесса в нижнем положении, где сварочная ванна обладает меньшей подвижностью. При сварке в вертикальном и потолочном положениях сварочная ванна характеризуется большей подвижностью, что обеспечивается либо её отеканием (вертикальное положение), либо её отвисанием (потолочное и полупотолочное положения). Поэтому для стабилизации её движения необходимо управление динамическим воздействием, как в момент повторного возбуждения, так и на интервале дозирования энергии плавления электрода.

Такие возможности могут быть реализованы в методе сварки, алгоритм импульсного управления которого представлен на рис.21, в). В данном методе, регулируя величину опорного напряжения, при котором оканчивается длительность дозирования энергии плавления, можно удерживать расплавленный металл либо в хвостовой части сварочной ванны (вертикальное положение), либо непосредственно под торцом электрода, не отбрасывая его в хвостовую часть сварочной ванны (что необходимо в потолочном и полупотолочном положениях). С учетом того, что в полупотолочном и потолочном положениях встречное движение сварочной ванны в механизме коротких замыканий отсутствует, по началу короткого замыкания следует вводить кратковременную паузу, порядка (25ч100) микросекунд. Эта временная задержка позволяет обеспечить благоприятное развитие контакта капли расплавленного электродного металла и сварочной ванны.

Рассмотренные выше алгоритмы импульсного управления энергетическими параметрами могут быть эффективно применены для процесса сварки в среде СО2 и газовых смесей на его основе с переносом электродного металла во время принудительных коротких замыканий. Для сварки с переносом без коротких замыканий или так называемой «длинной дугой», вполне эффективно может быть применен алгоритм импульсного управления, представленный на рис. 3,а. Однако для реализации алгоритмов управления, реализуемых по законам адаптивного управления, необходимо введение контролируемых в процессе сварки параметров. Такими параметрами могут быть: мгновенное значение напряжения на дуге перед включением тока импульса, либо интегрированная величина энергии, которая затрачивается на плавление отдельной капли электродного металла и т.п.

Однако управление плавлением и переносом электродного металла позволяет решить задачу стабилизации характеристик массопереноса при механизированных способах сварки во всех пространственных положениях, но не обеспечивает управления формированием металла шва из расплава, для чего требуется применение низкой частоты изменения энергетических параметров режима, из-за значительной теплоинерционности сварочной ванны. Обычно, для этого необходима низкочастотная модуляция сварочного тока в частотном диапазоне 0,25 - 5 Гц. Такой процесс, как правило, предполагает периодическое изменение выходной мощности в системе питания, чередуя высокий (импульс) и низкий (пауза) уровни. В периоды импульсов тока расплавляется основная часть электродного и свариваемого металлов, в последующие периоды паузы происходит кристаллизация большей части сварочной ванны. Указанный диапазон соизмерим с теплоинерционностью сварочной ванны, что позволяет периодически изменять тепловой поток, вводимый в металл, и тем самым регулировать во время сварки процесс проплавления основного металла и формирования шва. В современных системах питания инверторного типа низкочастотная модуляция его выходной мощности может быть реализована путем изменения тактовой частоты полупроводникового преобразователя методами частотно-импульсной модуляции, либо применением алгоритмов управления, реализуемых методами широтно-импульсной модуляции.

При импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом реализация пульсирующего режима работы системы питания представляет собой наиболее сложную техническую задачу, поскольку это сопряжено с необходимостью учета капельного переноса электродного металла в сварочную ванну (частотный диапазон 300 - 25 Гц) и одновременного управления формированием металла шва из расплава (частотный диапазон 0,25 - 5 Гц). Для обеспечения возможности совмещения двух частотных диапазонов при реализации технологического процесса, требуется синхронная работа источника питания и подающего механизма.

Выбор того или иного алгоритма управления энергетическими параметрами режима должен выбираться в каждом конкретном случае и зависеть от решаемой технологической задачи.

18. Изучение влияния импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки и регулируемого тепломассопереноса на структуру металлов шва и ЗТВ неразъемных соединений углеродистых и легированных сталей типа 09Г2С, 10Г2С, 17Г1СУ, 30ХГСА, 15НСНД и 12Х18Н10Т

18.1 Методика проведения экспериментов по изготовлению сварных соединений и режимам сварки

На основе результатов работы в 2010 году для проведения запланированных исследований по изучению влияния импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки и регулируемого тепломассопереноса на структуру металлов шва и ЗТВ неразъемных соединений углеродистых и легированных сталей были разработаны режимы сварки, при которых выполнялись неразъемные соединения из исследуемых марок сталей.

Рис. 22. Инверторный источник питания ФЕБ-315 «МАГМА» с блоком управления, в котором реализован способ адаптивной импульснодуговой сварки (Патент № 2410216)

Рис. 23. Алгоритм адаптивного импульсного управления энергетическими параметрами при сварке покрытыми электродами (Патент № 2410216), где tгс - длительность «горячего старта»; tп - длительность паузы; tи - длительность импульса; Iгс - величина тока горячего старта; Iи - ток импульса; Iп - ток паузы

Так, например, для сварки сталей 09Г2С, 10Г2С, 17Г1СУ и 12Х18Н10Т применялся источник питания ФЕБ-315 «МАГМА», рис. 22, в котором был реализован способ адаптивной импульсно-дуговой сварки (Патент № 2410216 приоритет от 16 июня 2008 года, зарегистрирован 27 января 2011 года). Указанный способ предназначен для управления формированием металла шва при сварке покрытыми электродами, рис. 23.

Импульсный режим сварки в вышеперечисленных способах сварки осуществлялся в частотном диапазоне от 1 до 5 Гц. Режимы сварки, применяемые электродные материалы представлены в таблицах 1, 2 и 3.

Для сварки стали 15ХСНД под слоем флюса была модернизирована серийно выпускаемая установка А-1416, к которой был подключен блок модуляции сварочного тока БМСТ-3. Были отработаны режимы сварки данной стали постоянным и модулированным токами.

Таблица 1

Режимы сварки стали 12Х18Н10Т покрытыми электродами ЦЛ-11 диаметром 2 и 3 мм

Способ сварки РЭДС	Скорость сварки, м/ч	Параметры режима
		постоянного тока	модулированного тока	Qсв, МДж/м
		Iб, А	Uб,В	Iи, А	Uи,В	tи,с	tп,с
Постоянным током	25	90	22	_	_	_	_	2,87
Модулированным током	25	40	22	70	22	0,3	0,7	2,15

Примечание: б, и - базовый и импульсный режимы, соответственно.

При этом для увеличения производительности заполнения разделки свариваемых образцов использовалась крупка, приготовленная из сварочной проволоки того же химического состава, что и проволока, с помощью которой осуществлялось расплавление кромок свариваемых образцов и формирование сварочной ванны.

Таблица 2.

Импульсные режимы сварки стали 17Г1СУ

Примечание: в таблицах 2 и 3 в столбце «режим сварки» цифрами 1,2,3, и 4 обозначены последовательность проходов при изготовлении сварных соединений.

Таблица 3.

Импульсные режимы сварки стали 17Г1СУ

Регистрация режимов сварки, рис. 24, производилась с использованием регистратора параметров режима сварки AWR 524, приобретенного в соответствии со сметой расходов по данному проекту в 2010 году.



Рис. 24. Осциллограммы тока и напряжения процесса сварки стали 15ХСНД модулированным током под флюсом, записанные при помощи регистратора параметров режима сварки AWR 524.

Таблица 4.

Режимы сварки стали 15ХСНД

№ образца	Марка осн. Металла	Марка эл. проволоки	Режим сварки	Род тока
59	15ХСНД	Св-10НМА	Iи=850 А,Iп=400А,f=5гц	Импульсный
63	15ХСНД	Св-10НМА	Iи=850 А,Iп=400А, f=2гц	Импульсный
77	15ХСНД	Св-10НМА	Iсв=450 А	Постоянный

Для сварки стали 30ХГСА применялась технология, в которой для управления процессами охлаждения металла шва и ЗТВ использовалась оригинальная конструкция горелки сварочного автомата, обеспечивающая двухструйную газовую защиту. Конструкция горелки позволяла управлять скоростью истечения защитного газа и тем самым управлять скоростью охлаждения металла шва и ЗТВ. В экспериментах выполняли механизированную многопроходную сварку пластин из стали 30ХГСА размером 150х300 мм, толщиной 8 мм с щелевой разделкой кромок сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2мм в СО2 стационарной дугой с двухструйной газовой защитой без предварительного подогрева и последующей термообработки. Управляемые параметры варьировали на двух уровнях: сварочный ток Iсв1 = 170 A и Iсв2 = 200А, скорость сварки V1 = 22 cм/мин и V2 = 26 cм/мин, расход защитного газа Q1 = 15 л/мин и Q2 = 20 л/мин. Напряжение дуги Uд = 26…27В. Источник питания ВСЖ-303 У3.I, автоматическая сварочная головка ГСП-2, блок управления автоматической сваркой БАРС-2Б.

18.2 Исследования структуры металла шва и ЗТВ сварных соединений стали 30ХГСА

С целью определения газодинамического влияния технологических параметров сварки в условиях двухструйной газовой защиты на структуру зон сварных соединений из стали 30ХГСА исследования проводились по методу полного факторного эксперимента.

Эксперименты были проведены в соответствии с матрицей планирования полного факторного эксперимента (табл. 5).

Таблица 5

Матрица планирования полного факторного эксперимента

Наименование управляемого параметра	№ опыта
	1	2	3	4	5	6	7	8
1. Расход защитного газа Q, л/мин (0,2)	15	20	15	20	15	20	15	20
2. Скорость сварки Vсв, cм/мин (0,3)	22	22	26	26	22	22	26	26
3. Сварочный ток Iсв, А (2)	170	170	170	170	200	200	200	200

В соответствии с таблицей 5 исследования микроструктуры металла шва и ЗТВ проводилось на образцах, сваренных при различных скоростях расхода защитного газа, различных скоростях сварки и значений сварочного тока. На рис. 25. приведены характерные структуры зон сварных соединений, полученных по режимам сварки 1 и 8 опытов, таблица 5.

Анализ микроструктуры образцов, представленных на рис. 25, показал, что она в соответствующих зонах идентична. Однако структура металла шва образцов несколько отличается, что можно объяснить меньшей интенсивностью перемешивания металла сварочной ванны 1-го образца из-за меньшего газодинамического воздействия струи защитного газа на сварочную ванну, а также меньшего значения сварочного тока.

Вместе с тем, в образце, сваренном по разработанной технологии, рис. 26, размеры ЗТВ примерно на 1 мм меньше, чем у образца, изготовленного по традиционной технологии. Это можно объяснить тем, что скорость истечения защитного газа из двухструйного сопла примерно в 3,5 раза больше по сравнению со скоростью истечения защитного газа из сопла горелки при традиционной технологии.

Увеличение скорости истечения защитного газа повышает скорость охлаждения околошовной зоны в процессе сварки, что изменяет картину структурно-фазовых превращений во всех изучаемых зонах сварных соединений из стали 30ХГСА, рис. 26.

Рис.25. Микроструктура в зонах сварных соединений, полученных по режимам сварки опытов 1 и 8.



Рис. 26. Микроструктура в зонах сварных соединений, полученных по разработанному и традиционному способу.

18.3 Исследование микроструктуры сварных соединений сталей 10Г2С и 17Г1СУ

Структура сварных соединений стали 10Г2С после стационарного и импульсного режимов сварки представлена на рисунках 27 и 28.

Шов имеет феррито-перлитную структуру. В переходной зоне наблюдается измельчение структуры. Однако размеры зерен этой зоны сильно превосходят структурные составляющие свариваемой стали.



Рис. 27. Структура сварного соединения стали 10Г2C после стационарного режима сварки.

Рис. 28. Структура сварного соединения стали 10Г2C после импульсного режима сварки

На рисунке 28 представлена структура сварного соединения после импульсного режима сварки. В центре шва, а также в переходной зоне наблюдается сильное измельчение структурных составляющих (в 3 - 4 раза). По размерам зерен эта зона приближается к структурным составляющим свариваемой стали.

Микроструктура зон сварных соединений стали 17Г1СУ полученных на режимах постоянного тока и импульсных изменений энергетических параметров режимов, рис. 29, аналогична структурам, представленным на рис. 27 и 28.

Рис.29. Микроструктура основного металла стали17Г1СУ (а), металла шва в заполняющем слое сварного соединения стали17Г1СУ, сваренного в режиме постоянного тока (б), и импульсного изменения энергетических параметров режима (в), увеличение Х500.

Наблюдается существенное уменьшение структурных элементов в зонах сварного соединения у образцов, сваренных методами адаптивной импульснодуговой сварки, рис. 29, в.



Рис. 30. Структура основного металла стали 17ГСУ и зон сварных соединений, сваренных на постоянном токе и в режиме импульсного изменения энергетических параметров режима при различных частотах модуляции сварочного тока

В этой связи наибольший интерес представляет исследование зависимости микроструктуры зон металла шва и ЗТВ от частоты импульсного изменения энергетических параметров режима.

На рис. 30. приведены микроструктуры сварных соединений стали 17Г1СУ, полученных при различных значениях частоты модуляции сварочного тока по алгоритму, представленному на рис. 24.

Анализ представленных микроструктур зон сварных соединений, полученных при сварке на постоянном токе и в режиме импульсного изменения энергетических параметров режима показывает, что с увеличением частоты модуляции сварочного тока происходит выравнивание тепловложения, и, при частоте выше 5 Гц, размеры ЗТВ становятся такими же, как и при сварке в режиме постоянного тока. По-видимому, это обусловлено теплоинерционностью распространения тепла от источника нагрева.

Наибольшего эффекта по уменьшению структурных составляющих в зонах сварного соединения можно достичь при уменьшении частоты модуляции сварочного тока. Однако уменьшение частоты модуляции ниже 1 Гц не желательно из-за уменьшения производительности процесса сварки, а ее увеличение ограничивается выравниванием теплового потока, что практически полностью устраняет достижение эффекта по управлению структурой зон сварного соединения. Наиболее эффективный частотный диапазон, обеспечивающий достижение заявленной цели при сварке сталей 10Г2С и 17Г1СУ, лежит в пределах от 1 до 2,5 Гц.

18.4 Исследование структуры и свойств металла сварных соединений стали 15ХСНД

Исследовано влияние частотных параметров тока на структуру сварных соединений стали 15ХСНД, полученных на стационарном и импульсном режимах. Установлено, что на стационарном режиме в облицовочном слое сварного шва и ЗТВ основного металла стали 15ХСНД формируется крупнозернистая феррито-перлитная структура. В заполняющем слое после всех использованных режимов формируется мелкозернистая структура тех же фаз. С уменьшением частоты тока структура измельчается (Рис. 31).

На рисунке 33 приведены макроструктуры поверхности излома образцов из стали 15ХСНД при различных увеличениях.

Распределение микротвердости сварного соединения стали 15ХСНД в различных зонах представлено на рисунке 32.

Анализ микроструктуры поверхности излома показывает, что на прочность сварного соединения оказывает влияние не только размеры его структурных составляющих, но наличие в них различных недопустимых дефектов. Последнее особенно характерно для процессов сварки, обеспечивающих расплавление большой массы металла шва, что имеет место как при увеличении производительности расплавления электродной проволоки, так при применении присадочного материала в виде крупки, заполняющей разделку свариваемых образцов.

Рис. 31. Микроструктура середины облицовочного слоя шва стали 15ХСНД при сварке импульсным режимом на различных частотах (а - 5 Гц, б - 2 Гц, в - 1 Гц), и стационарным режимом - г).

Рис. 32. Распределение микротвердости сварного соединения стали 15ХСНД в различных зонах: 1 и 6 - основной металл, 2 - ЗТВ, 3 и 5 - шов около линии сплавления, 4 середина шва.



Рис. 33. Макроструктура поверхности излома образца из стали 15ХСНД после испытания растяжением (Увеличение х37, х100, х500, х1000 и х2000).

18.5 Исследование микроструктуры сварных соединений стали 12Х18Н10Т

В исходной структуре аустенитной стали 12Х18Н10Т ферритная фаза присутствует в виде отдельных строчек и тонкого слоя по границам аустенитных зёрен (Рис. 34).

Рис. 34. Микроструктура стали 12Х18Н10Т, Ч200.

Граница ЗТВ со швом типична для сварных соединений стали 12Х18Н10Т: аустенитные зёрна размером 20-50 мкм, феррит и карбиды Cr23С6 в виде отдельных частиц и цепочек по границам зёрен, рис. 35. Это связано с тем, что нагрев металла основы достигал температур до 1100оС. Это вызвало интенсивное выделение карбидной фазы по границам зёрен. Аустенитная сталь с такими выделениями по границам зёрен имеет высокую склонность к МКК.

Микроструктура металла сварного шва соединения стали 12Х18Н10Т, выполненного в режиме постоянного тока, имеет столбчатое строение с ориентированием кристаллитов в направлении теплоотвода. По границам зерен расположены д - феррит и карбиды (Рис. 35, а). Зерна достигают значительных размеров в длину, во многих случаях образуя транскристаллиты. В центральной части сварного шва и ближе к обратному валику зерна достигают размеров: ширина - 19 ч 20 мкм, длина - 400 ч 500 мкм. На границе ЗТВ со швом зёрна аустенита имеют размеры 20 - 50 мкм.

В сварных швах неразъемных соединений, выполненных с применением импульсного изменения энергетических параметров режима, формируется мелкозернистая структура. Размеры зерен составляют 3 - 8 мкм (Рис. 35, б). Это происходит из-за интенсивного перемешивания и диспергирования металла сварочной ванны вследствие низкочастотной пульсации дуги, уменьшения теплосодержания расплава сварочной ванны и увеличения скорости ее кристаллизации.

Рис. 35. Микроструктура сварных шов: а) выполненных в режиме постоянного тока; б) с импульсным изменением энергетических параметров режима, Х200

Средний размер зерен ЗТВ в 2-2,5 раза меньше, чем в шве, сформированном на постоянном токе, где средний размер структурных элементов составляет 10-20 мкм. Это происходит вследствие действия импульсного источника нагрева, изменяющего газодинамическое давление дуги на металл сварочной ванны, что приводит активизации его движения в расплаве, интенсивному перемешиванию и существенному снижению ее теплосодержания. Это приводит к увеличению скорости кристаллизации металла и образованию большого количества новых центров кристаллизации. Размеры ЗТВ в сварных соединениях, изготовленных в режиме импульсного изменения энергетических параметров режима, значительно меньше чем у образцов, сваренных в режиме постоянного тока.

Таблица 6

Распределение зёрен по размерам в объёме металла сварных швов

Параметры структуры	Размер зерна, мкм.
	1ч2	3ч4	5ч6	7ч8	9ч10	11ч12	13ч14	15ч16	17ч18	19ч20	21ч22
Кол-во зёрен в структуре	1 7	23 131	73 255	114 153	94 55	94 10	64 1	38 0	26 0	13 0	6 0

Примечание: числитель - размеры зерен для образцов, сваренных в режиме постоянного тока, знаменатель - размеры зерен для образцов, сваренных в режиме импульсного изменения энергетических параметров режима.

Результаты стереометрического анализа структур швов сварных соединений представлены в таблице 6.

Средний размер зёрен после РЭДС постоянным током составляет 11 мкм, модулированным током - 6.5 мкм. Сравнительный анализ размеров зерен, приведенный в таблице 6, показал, что для образцов, сваренных в режиме постоянного тока, характерен значительный разброс их размеров в центральной части шва: 5-14 мкм. По-видимому, это связано с неравновесными условиями кристаллизации сварочной ванны, что обусловливают химическую и структурную неоднородности металла сварного шва. Последнее обстоятельство должно очень сильно повлиять на прочностные и эксплуатационные характеристики сварных соединений из аустенитных марок сталей.

18.6 Методика исследования и свойства сварных соединений низколегированных сталей. Исследования свойств сварных соединений осуществлялись на образцах по схеме, приведенной на рис. 36. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 1 Н вдоль трех слоев шва - корневого, заполняющего и облицовочного от середины шва через зону термического влияния в основу.

Рис. 36. Схема проведения структурных исследований сварного соединения сталей: 1 и 2 - в сварном шве, 3 - в ЗТВ, 4 - на уровне корневого слоя, 5 - на уровне заполняющего слоя, 3 - на уровне облицовочного слоя.

Механические испытания прочности сварных соединений из сталей проводили при статическом нагружении растяжением на установке типа «Инстрон». Образцы для механических испытаний в виде двусторонних лопаток были вырезаны поперек сварного соединения расположением щва посередине рабочей части образцов (ГОСТ 1497-73). Испытания образцов на ударную вязкость при температуре 20 С проводили на маятниковом копре типа МК-30А. Концентратор в форме V-образного надреза был нанесен по сварному шву (ГОСТ 9454-78).

Измерения микротвердости позволили оценить прочностную однородность швов после обоих режимов сварки. После импульсного режима видоизменяется распределение микротвердости по сравнению со стационарным (Рис. 6). Уровень микротвердости в сварном шве выше, чем после стационарного режима. Существенно повышается его пластичность (относительное удлинение возрастает в среднем на 20 %), что подтверждается результатами механических испытаний (таблица 7).

Таблица 7

Механические свойства сварных соединений 10Г2С

Режим сварки	Механические свойства
	у0,2, МПа	ув, МПа	, %
Стационарный	~ 450	~ 540	20,3
Импульсный	~ 450	~ 540	24,6

При механических испытаниях сварных соединений, полученных при использовании обоих режимов, разрушение образцов из исследованных видов сталей происходит, обычно, по основному металлу, что свидетельствует о выполнении основного условия получения материалов зон соединений прочнее материала основы (Приложение 1).

Установлено, что прочность и пластичность сварных соединений сталей сильно зависят от наличия даже единичных сварочных дефектов. Они приводят к снижению в 1,5 - 2 раза пластичности сварных соединений (Рис. 7). Сварные соединения с более однородной структурой имеют и более однородное распределение механических свойств, что препятствует возникновению участков разупрочнения в околошовной зоне и повышает стойкость к возникновению и распространению трещин в сварном соединении в целом. Повышение свойств связано также с повышением однородности распределения Mn и Si в шве и ЗТВ, снижением их угара.

Рис. 37. Влияние частоты импульсов тока на содержание элементов в сварном шве соединения стали 17Г1СУ.

Отсутствие заметного угара Mn после импульсного режима объясняется снижением тепловложений при мелкокапельном переносе электродного металла в сварочную ванну при формировании шва.

Рис. 38. Влияние частоты импульсов тока на ударную вязкость сварных соединений стали 17Г1СУ.

После импульсного режима сварки такие сварные соединения обладают более высокой прочностью при эксплуатации. Влияние частоты импульсов тока на содержание элементов в сварном шве соединения стали 17Г1СУ и ударную вязкость показано на рисунках 37 и 38. В результате, после импульсного режима сварки такие сварные соединения обладают более высокой прочностью при эксплуатации.

Структурные исследования состояния поверхности образцов после стационарного режима сварки показали, что металл был подвержен, как опасной межкристаллитной, так и питтинговой коррозии.

Рис. 39. Характер коррозионного разрушения в зоне сварных соединений, полученных: - на стационарных режимах (а - шов, б - переходная зона); - в режиме APT (в - шов, г - переходная зона)

Коррозионная картина свидетельствует о том, что в ЗТВ сварного соединения стали 10Г2С после стационарного режима сварки имеет область повышенного коррозионного разрушения (Рис. 39). Анализ показал, что межкристаллитная коррозия поразила основной металл на площади до ~ 40%. Структурные исследования состояния поверхности образцов после импульсного режима сварки показали, что сварные соединения подвержены менее опасной питтинговой коррозии Металл поражен на площади ~ 25%.

В целом проведенные исследования показали, что при использовании импульсного режима сварки меняется механизм коррозионного разрушения в соляной кислоте сварных соединений из низколегированной стали 10Г2С: вместо межкристаллитной коррозии, свойственной соединению после стационарного режима, протекает питтинговая коррозия. Это связано с более равномерным распределением элементов в сварном шве и снижением выгорания в процессе сварки.

19. Методология проведения и результаты исследований наплавленных покрытий

Создание новых материалов, обладающих более высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, связано с получением оптимального сочетания структур, наличия равномерного распределения по объему легирующих элементов, обеспечивающих высокие технологические свойства. В основе создания материалов с заданными свойствами лежат два основных подхода: изменение химического состава и формирование необходимой структуры материала. На этих же принципах основаны методы упрочнения поверхностей за счет модифицирования слоя материала (без изменения геометрических размеров детали) и за счет нанесения покрытия на поверхность детали, когда размеры детали изменяются на величину нанесенного слоя покрытия. В первом случае изменяются или структура материала в поверхностном слое, или химический состав и распределение элементов по глубине слоя, или, одновременно, и то, и другое. Во втором случае главным фактором, определяющим упрочнение, является выбранный материал покрытия, отличающийся от основного материала детали и обеспечивающий требуемые свойства поверхности.

В настоящее время используется широкий спектр упрочняющих технологий. Это позволяет выбирать ту технологию, которая в наибольшей степени подходит для определенной детали и условий ее эксплуатации. Для правильного выбора метода упрочнения необходимо четко представлять, как реализуется выбранная технология, и проводить сравнительный анализ технологий. При разработке технологии упрочнения деталей приходится решать комплексную задачу по выбору материалов, параметров техпроцесса и так далее. Решение задачи разработки нового технологического процесса упрочнения поверхности и нанесения покрытия включает ряд последовательных этапов: 1) сформулировать техническое задание, включающее в себя характеристику детали, условия ее работы, требования к ее поверхности, 2) определить уровень требуемых физико-механических свойств, обеспечивающих заданные характеристики поверхности детали, химический состав и структуру поверхностного слоя или материал покрытия, 3) выбрать оптимальных технологический процесс, 4) определить оптимальные технологические параметры процесса. Одними из наиболее эффективных приемов повышения стойкости рабочих поверхностей изделий к изнашиванию различного рода являются методы наплавки и напыления покрытий.

Проведенный нами анализ современных наплавочных и напыляемых материалов, а также способов воздействия на процессы формирования и кристаллизации, структуру и физико-механические характеристики покрытий из металлов и сплавов, позволил оценить возможности применения новых порошковых материалов. Для достижения указанной выше цели перспективно применение следующих материалов: 1) металлов, сплавов и керамических материалов, имеющих нано - и субмикрокристаллическую структуру; 2) композиционных материалов, с включениями наночастиц, имеющих высокую температуру плавления; Для поверхностной обработки перспективно применение следующих процессов: 1) наплавка (лазерная, электронно-лучевая, плазменная, электрошлаковая, электродуговая), 2) газотермическое напыление покрытий, 3) вакуумное нанесение покрытий, 4) комбинированные способы упрочнения поверхности и нанесения покрытий. Упрочнение достигается путем направленного высокоэнергетического и модифицирующего влияния дисперсных тугоплавких соединений на структуру, физико-механические и служебные свойства покрытий из металлов и сплавов, наносимых указанными методами.

В качестве модифицирующих смесей применены порошковые материалы на основе субмикро- а нанокристаллических частиц оксидов, карбидов и боридов тугоплавких металлов, а так же на основе нитрида кремния. В процессе нанесения покрытий вкрапления таких фаз в металлической матрице приведет к формированию дисперсно-упрочненных слоев и повышению физико-механических и эксплуатационных свойств получаемых материалов. Изучение и оптимизация процессов кристаллизации, регулирования температуры расплава за счет ввода в состав наплавочных материалов дисперсных тугоплавких соединений, модифицирующих материал покрытий, включая измельчение их структуры и повышение свойств, позволит проводить оптимизацию технологий наплавки и напыления покрытий. В качестве модифицирующих соединений будут использованы субмикро - и нанокристаллические порошковые материалы. Такие порошковые материалы могут представлять собой как однофазные системы, так и многофазные композиции. Их применение позволит формировать покрытия в виде высокодисперсной композиции, с включениями субмикро - и нанокристаллические упрочняющих фаз. В процессе нанесения покрытий вкрапления таких фаз в металлической матрице приведет к формированию дисперсно-упрочненных слоев и повышению физико-механических и эксплуатационных свойств получаемых материалов.