Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства

В работе проведено сопоставление эффективности газовой защиты расплавленного металла при сварке самозащитными порошковыми проволоками карбонатно-флюоритного типа с учетом свойств их сердечников, исследованных термоаналитическими методами. In the paper the comparison of effectiveness of gas shielding...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Автоматическая сварка
Date:2016
Main Author: Котельчук, А.С.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2016
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146331
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства / А.С. Котельчук // Автоматическая сварка. — 2016. — № 1 (749). — С. 33-37. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860229459353796608
author Котельчук, А.С.
author_facet Котельчук, А.С.
citation_txt Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства / А.С. Котельчук // Автоматическая сварка. — 2016. — № 1 (749). — С. 33-37. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description В работе проведено сопоставление эффективности газовой защиты расплавленного металла при сварке самозащитными порошковыми проволоками карбонатно-флюоритного типа с учетом свойств их сердечников, исследованных термоаналитическими методами. In the paper the comparison of effectiveness of gas shielding of molten metal in welding with self-shielding flux-cored wires of carbonate-fluorite type was carried out considering the properties of their cores investigated by thermal analytical methods.
first_indexed 2025-12-07T18:21:35Z
format Article
fulltext А Ч О-ТЕ ИЧЕСКИ РА Е 3 3ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №1(749), 2016 ДК 621.791.75:669.14/15 В Н Т П О СК СВО СТВ С РД Н КОВ САМО А ТН ПОРО КОВ ПРОВО ОК НА СВАРО НО-Т НО О СК СВО СТВА Т ЭС им. .О. Патона НАН . 03680, г. Киев-150, ул. Казимира Малевича ( оженко), 11. - : . . В работе проведено сопоставление эффективности газовой защиты расплавленного металла при сварке самозащитными порошковыми проволоками карбонатно-флюоритного типа с учетом свойств их сердечников, исследованных термоа- налитическими методами. Показано, что для улучшения надежности газовой защиты при сварке такими порошковыми проволоками важно не просто обеспечить генерацию большого объема защитных газов при термодеструкции сердечника проволоки, но и управлять этим процессом, обеспечивая достаточное газовыделение на всех этапах нагрева и плавле- ния порошковой проволоки. спользуя данные дифференциальной сканирующей калориметрии шихты порошковых проволок карбонатно-флюоритного типа, содержащих карбонат лития, выполнена оценка затрат тепла на нагрев и плав- ление порошкового сердечника, сопровождающиеся развитием энергозатратных процессов термической деструкции компонентов сердечника. Предлагается ограничивать содержание карбонатов в проволоке на уровне 1...2 % массы, что позволяет сохранить на приемлемом уровне показатели, характеризующие устойчивость процесса сварки, и при этом обеспечить достаточную газовую защиту металла и хорошую отделимость шлаковой корки. правление ходом термо- химических реакций в сердечнике достигается за счет подбора нужного его состава с обеспечением благоприятного плавления порошковой проволоки и переноса электродного металла в сварочную ванну. иблиогр. 5, табл. 3, рис. 5. К л ч е в ы е с л о в а дуговая сварка, поро ковая проволока, стабильность плавления и переноса металла, комплекс- ный термический анали , теплофи ические свойства, сварочно-технологические характеристики Порошковые проволоки для электродуговой свар- ки объединяют преимущества двух процессов: сварки проволокой сплошного сечения в защит- ных газах и ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Порошковые проволоки в своем составе, как правило, содержат компоненты для легирования и раскисления металла сварного шва, газо- и шлакообразующие компоненты, которые обеспечивают защиту расплавленного металла, его рафинирование и требуемый химический со- став металла шва, а также легкоионизирующиеся добавки, стабилизирующие дуговой разряд, для гарантирования высокой производительности процесса [1, 2]. Сварочно-технологические свойства порошко- вых проволок определяют возможности их приме- нения для сварки различных металлоконструкций в разнообразных условиях, например, при сварке на открытых площадках при воздействии ветра (или неконтролируемых воздушных потоков). Эти свойства, в свою очередь, определяются преимущественно составом наполните- ля (сердечника) порошковых проволок. Построение композиции сердечника по- рошковой проволоки позволяет управ- лять процессами переноса расплавлен- ного электродного металла и защиты от воздействия окружающей атмосферы (что важно, в частности, при использовании са- мозащитных порошковых проволок), а также фор- мирования металла шва и обеспечения его требу- емых свойств. Самозащитные порошковые проволоки пред- ставляют собой сварочный материал, применение которого не требует подачи защитного газа (на- пример, при выполнении сварочно-монтажных работ, где подача защитного газа затруднена). а- щита переносимого расплавленного электродно- го металла и сварочной ванны от вредного взаи- модействия с кислородом и азотом окружающего воздуха, которое может привести к пористости и ухудшению механических свойств металла свар- ного шва, в самозащитных порошковых проволо- ках карбонатно-флюоритного типа реализована за счет термохимических реакций разложения кар- бонатов и фтор-силикатов, входящих в состав сер- дечника таких проволок, с образованием защит- ной атмосферы. А.С. Котельчук, 2016 Т а л и ц а остав газоо разу ей композиции поро ковы проволок азообразую- щие компо- ненты Содержание компонентов, мас. % в проволоке в сердечнике К 1 К 2 К 3 К 4 К 1 К 2 К 3 К 4 3 2,8 2,6 3,7 3,9 16,1 16,2 22,4 21,2 2 3 2,1 1,6 – 1,5 12,1 9,9 – 8,1 2 6 – 1,2 2,1 2,3 – 7,5 12,8 12,5 А Ч О-ТЕ ИЧЕСКИ РА Е 3 4 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №1(749), 2016 При сварке в монтажных условиях, где зона сварки неизбежно подвержена влиянию неконтро- лируемых воздушных потоков, достаточно остро стоит вопрос надежности защиты расплавленного металла. В этом случае эффективность защиты на практике принято оценивать по возможности уд- линения дуги ∆ д [2, 3]: , ä ä ä ∆ = − (1) где ä — минимальное напряжение дуги, при котором возможна сварка для заданного значения сварочного тока (скорости подачи электродной проволоки), а ä — максимальное напряжение дуги, при котором удается получать сплошные швы, т. е. швы, в которых отсутствуют поры, вы- званные пересыщением металла азотом. спользуя методику, изложенную в работе [3], провели оценку стойкости формируемой газовой защиты при сварке самозащитными порошковыми проволоками карбонатно-флюоритного типа диа- метром 2,2 мм к воздействию ветра в зоне свар- ки. Составы газообразующей части сердечников проволок приведены в табл. 1. В качестве шлако- образующих компонентов в сердечник проволок также вводили флюорит ( 2), рутил ( 2), пе- ровскит ( 3), волластонит ( 3( 3 9)) и гли- нозем (A 2 3). Наплавку контрольных валиков на пластины низколегированной стали проводили при значении сварочного тока на уровне 280 А. Все четыре проволоки продемонстрировали хо- рошие защитные свойства при сварке под воздей- ствием ветрового потока в зоне горения дуги со скоростью до 5 м/с. Однако ухудшение эффектив- ности формируемой ими газовой защиты расплав- ленного металла (уменьшение допустимого удли- нения дуги) при увеличении скорости ветра выше 5 м/с у порошковых проволок К 1 и К 3 замет- нее, чем у проволок К 2 и К 4. азовый анализ образцов, вырезанных из центральной части ше- стислойных наплавок, показал, что с увеличением скорости ветра в зоне сварки содержание азота в наплавленном металле повышается, причем темп нарастания содержания азота сопоставим с тем- пом сужения диапазона рабочих напряжений на дуге (рис. 1 и 2). Объяснение этому можно найти, исследуя те- плофизические свойства моделей сердечников этих проволок при динамическом нагреве до тем- ператур порядка 1500 С, используя методы ком- плексного термического анализа, включающие термогравиметрический, дифференциальный термогравиметрический анализы и дифферен- циальную сканирующую калориметрию, а также масс-спектроскопию выделяющихся газов [4]. Рис. 1. Влияние напряжения дуги на содержание азота в ме- талле, наплавленном порошковыми проволоками карбонат- но-флюоритного типа Рис. 2. Возможность удлинения дуги ä ä ä ∆ = − при сварке самозащитными порошковыми проволоками карбонатно-флюоритного типа под воздействием ветрового потока Рис. 3. Суммарное количество защитных газов ( 2, 4), выделяющихся из сердечников порошковых проволок карбо- натно-флюоритного типа, при непрерывном нагреве со ско- ростью 10 С/мин 1 г порошковой проволоки А Ч О-ТЕ ИЧЕСКИ РА Е 3 5ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №1(749), 2016 Такие исследования были проведены с ис- пользованием совмещенного термоанализатора A/ 600 (фирмы A r , С А) и масс-спектрометра r (фирмы r r , Великобритания). Пе- ред проведением исследований были выполнены в соответствии с требованиями инструкций все необходимые калибровки термоанализатора: по температуре, тепловому потоку и сигналу массы во всем исследуемом интервале температур. с- следования проводили в потоке воздуха со скоро- стью 50 мл/мин при линейной скорости нагрева 10 С/мин. Масса образцов во всех экспериментах составляла около 20 мг. Для исследований исполь- зовали керамические тигли (изготовленные из ок- сида алюминия A 2 3). При термической деструкции материалов сер- дечника выделяются газы, различные по молеку- лярной массе (в частности, 4, 2), поэтому данные термогравиметрического анализа не от- ражают в полной мере объемы выделяющихся за- щитных газов. Поскольку один моль любого газа при идентичных условиях (давлении и темпера- туре) занимает один и тот же объем, то, по-ви- димому, целесообразно оценивать формирова- ние газовой защиты при термической деструкции компонентов сердечника порошковой проволоки в мольных количествах. При расчетах мольного количества защитных газов учитывались соста- вы проволок. Данные температурных зависимо- стей образования мольных количеств защитных газов, отнесенных к массе проволоки, представле- ны на рис. 3. Эти данные могут подтвердить, что защитные свойства композиции порошковой про- волоки при сварке в отсутствии внешнего влияния воздушных потоков на зону сварки напрямую за- висят от объемов защитных газов, образующихся при нагреве и плавлении сердечника. Так, лучшие характеристики из четырех рассматриваемых про- волок обеспечивает композиция проволоки К 4, худшие — К 1. Но этот подход не может объяс- нить разницу в защитных характеристиках ком- позиции проволок К 3 и К 2 при сварке под воздействием воздушных потоков. При скорости воздушного потока выше 5 м/с проволока К 2 ха- рактеризуется более устойчивой защитой к воз- действию ветрового потока, чем К 3, хотя объ- ем защитных газов, образующихся при нагреве и плавлении сердечника проволоки К 3 выше, чем К 2. Процесс образования защитной атмосферы при нагреве шихты проволоки К 3 происходит в сравнительно узком температурном интервале. читывая квазистационарность распределения температур при нагреве порошковой проволоки на вылете, это приводит к сужению размеров зоны генерации газов на вылете порошковой проволо- ки. Основная масса защитных газов для сердечни- ка проволоки К 1 (более 75 мас. %) выделяется в интервале температур от 600 до 800 С и весь процесс газообразования завершается еще до до- стижения 900 С. Для шихты проволоки К 2 ха- рактерно более равномерное выделение защитных газов ( 2 и 4) в температурном интервале от 400 до 1400 С, что обусловливается использова- нием смеси карбонатов и большей долей плавней в шихте. До образования в шихтовой композиции расплава карбонат натрия способствует началу ре- акции диссоциации карбоната кальция, а после образования расплава — тормозит выделение за- щитных газов (см. рис. 3). Таким образом, полученные данные свиде- тельствуют о том, что для обеспечения высокой эффективности газовой защиты при сварке само- защитными порошковыми проволоками важно не только обеспечить генерацию большого объема защитных газов, но и управлять процессами газо- Рис. 4. Термический анализ модельной шихты порошковой проволоки, содержащей 2 3, методами дифференциаль- ной сканирующей калориметрии и термогравиметрии (1 — тепловой поток; 2 — изменение массы) Т а л и ц а татисти еские арактеристики процесса сварки опытными самоза итными поро ковыми прово- локами Содержание карбоната лития в проволоке, мас. % Напряжение дуги Сварочный ток Среднее значение вре- мени коротких замыка ний, мкс астота коротких замыка ний, с–1 Среднее значе- ние, В Стан- дартное отклоне- ние, В Коэф- фициент вариации Среднее значение, A Стандарт- ное отк- лон ение, A Коэф- фициент вариации 0 23,1 2,3 0,10 289,1 28,0 0,10 112,5 4 1 21,8 1,6 0,07 296,4 24,9 0,08 159,7 15 2 22,9 2,4 0,10 283,0 36,0 0,15 225,0 26 3 22,0 3,8 0,17 294,5 49,4 0,17 532,0 75 А Ч О-ТЕ ИЧЕСКИ РА Е 3 6 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №1(749), 2016 выделения для создания защитной атмосферы на всех этапах нагрева и плавления порошковой про- волки, переноса электродного металла и формиро- вания сварочной ванны. атраты тепла на нагрев и плавление порошко- вого сердечника могут существенным образом влиять на сварочно-технологические свойства порошковой проволоки [1]. Оценку таких затрат можно провести, используя данные дифференци- альной сканирующей калориметрии на примере шихт порошковых проволок карбонатно-флюо- ритного типа, содержащих карбонат лития (рис. 4). При нагреве модельной шихты порошко- вой проволоки тепло расходуется на плавление и термическую диссоциацию 2 3, приводящую к образованию 2 в шлаковой фазе и выделение в газовую фазу 2. При этом суммарный затрат- ный тепловой эффект ( , см. рис. 3) может до- стигать 20,5 кДж/г модельного сердечника. Эти данные позволяют оценить тепловой баланс при нагреве и плавлении порошковой проволоки, сер- дечник которой содержит карбонат лития. Так, на- пример, при сварке порошковой проволокой диа- метром 1,6 мм, содержащей 1 мас. % 2 3, на режиме д примерно 24 В и Iсв около 250 А (vп.п. около 3,5 м/мин.) до 2,4 % подведенной энергии будет расходоваться на нагрев, плавление и тер- мическую диссоциацию компонентов сердечника проволоки, что приводит к заметному ухудшению сварочно-технологических свойств — понижению стабильности горения дуги, повышенному раз- брызгиванию электродного металла. Оценку сварочно-технологических свойств само- защитных порошковых проволок с различным со- держанием карбоната лития в сердечнике проводили на примере проволоки трубчатой конструкции диа- метром 1,6 мм. При этом сварку вели на постоянном токе прямой полярности. Результаты статистической обработки значений сварочного тока и напряжения дуговой сварки этими порошковыми проволоками, полученные с помощью системы, использующей скоростные аналого-цифровые преобразователи, для мониторинга и обработки электрических сигна- лов дуговой сварки с частотой 50 к ц [5], приведены в табл. 2 и на рис. 5. Полученные данные показывают, что содержа- ние карбоната лития в сердечнике проволоки не оказывает существенного влияния на технологи- ческие характеристики процесса при его содер- жании до 2 % массы проволоки. Превышение это- го значения ведет к повышению разбрызгивания электродного металла (см. табл. 3). В общем случае, введение карбонатов способ- ствует улучшению отделимости шлака по краям металла шва. Это улучшение объясняется вли- янием оксидов, образующихся при разложении карбонатов, на гомогенизацию шлака. величе- ние содержания карбонатов в сердечнике прово- локи выше 2 мас. % улучшает газовую защиту несущественным образом, однако при этом при- водит к заметным изменениям химического со- става металла шва — несколько снижается содер- жание раскисляющих и легирующих элементов в металле шва, а содержание кислорода повышает- ся. Таким образом, можно сделать вывод, что со- держание карбонатов в проволоке целесообразно ограничить на уровне 1…2 % от ее массы, что по- зволяет сохранить на приемлемом уровне пока- затели, характеризующие устойчивость процесса сварки, и при этом обеспечить эффективную газо- Рис. 5. Коэффициенты вариации напряжения дуги K и сва- рочного тока K I, среднее время t к.з и частота коротких замы- каний к.з при сварке опытными самозащитными порошко- выми проволоками в зависимости от содержания карбоната лития в сердечнике проволоки Т а л и ц а оказатели те нологи ески свойств поро ковы проволок содер а и разли ное коли ество кар- онатов в серде нике Содержание карбоната лития в проволоке, мас. % Напряжение дуги, В Сварочный ток, А Потери на раз- брызгивание, % Отделимость шлако- вой корки, баллы Наличие дефектов 0 19…22 23…26 220…270 250…300 5,1 4,8 3 3 Нет Поры 1 19…22 23…26 220…250 250…300 5,2 4,9 5 5 Нет Нет 2 19…22 23…27 250…300 310…350 7,2 6,9 5 5 - - 3 18…22 22…24 240…290 300…350 11,3 9,3 4 4 - - А Ч О-ТЕ ИЧЕСКИ РА Е 3 7ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №1(749), 2016 вую защиту металла и хорошую отделимость шла- ковой корки. В заключение следует отметить, что иссле- дования физико-химических свойств порошко- вых материалов и их смесей, которые моде- лируют сердечники порошковых проволок, проводимые методами комплексного термиче- ского анализа (дифференциального термическо- го, термогравиметрического, дифференциального термогравиметрического анализа и сканирующей калориметрии), а также методом масс-спектроско- пии газовой фазы при динамическом нагревании до температуры плавления стали, показали, что процесс нагревания смесей порошковых матери- алов, которые содержат газо- и шлакообразующие компоненты вместе с металлическими порошка- ми сопровождается протеканием реакций диссоци- ации с газовыделением, окислением и плавлением смесей и образованием первичного расплава ме- таллической и шлаковой фаз. Образование шлако- вого расплава еще на стадии нагрева порошкового сердечника до плавления оболочки проволоки и вы- деление газов ( 2, 4) способствует улучшению защитных функций порошковых проволок при свар- ке без дополнительной защиты. Тепловые эффекты термохимических реакций, которые сопровождают процесс нагревания, протекают одновременно (эн- дотермические процессы деструкции, плавление и экзотермические окисления и образования ком- плексных соединений). правление этими реак- циями за счет изменения состава смеси позволяет регулировать скорость плавления сердечника, спо- собствует формированию благоприятных характери- стик плавления порошковой проволоки и переноса электродного металла в сварочную ванну. В качестве компонентов порошковой проволо- ки, которые снижают температуру начала оплав- ления сердечника, целесообразно использовать металлические порошки на основе алюминия и его сплавов, неметаллические шлако- и газообра- зующие компоненты типа карбонатов, оксидов и фторидов щелочных металлов. 1. W r r r // / . r. r A . – r , : , 2005. – . 21–39. 2. еталлургия дуговой сварки. Взаимодействие газов с металлами / .К. Походня, .Р. вдощин, В. . вачко и др. // Под ред. .К. Походни. – Киев: Наук. думка, 2004. – 444 с. 3. , , . r r - r r r // r r . r . r . ., , , 4–5 ., 1989. – r , r : r r , 1990. – . 171–179. 4. лепаков Н , Котельчук . сследование термохи- мических характеристик смесей дисперсных материалов методами динамического термического анализа // Авто- мат. сварка. – 2011. – 12. – С. 16–19. 5. r . r , , r . - / . r , . A - r , . . A , . r . – - r, r : - , 1997. – 158 . Поступила в редакцию 29.10.2015 Ассо иа ия « лектрод» ООО Промы ленная компания « О КС электрод» при поддержке Российского научно-технического сварочного общества и Общества сварщиков краины IX Международная конференция «Дуговая сварка. Материалы и качество» Посвящается 50-летию Первой всесоюзной конференции по сварочным материалам (1966 г.) и 25-летию создания ассоциации «Электрод» (1990 г.). 1 мая июня 2016 г. г. Волгоград Тематика конферен ии Совер енствование дуговы про ессов сварки Ра ра отка иннова ионны сварочны материалов Те нологии прои водства материалов и подготовка кадров Качество и конкурентоспосо ност материалов http:// - тел факс нформационная поддержка: журнал Автоматическая сварка
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146331
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0005-111X
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:21:35Z
publishDate 2016
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Котельчук, А.С.
2019-02-08T22:20:15Z
2019-02-08T22:20:15Z
2016
Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства / А.С. Котельчук // Автоматическая сварка. — 2016. — № 1 (749). — С. 33-37. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
0005-111X
DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.01.04
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146331
621.791.75:669.14/15
В работе проведено сопоставление эффективности газовой защиты расплавленного металла при сварке самозащитными порошковыми проволоками карбонатно-флюоритного типа с учетом свойств их сердечников, исследованных термоаналитическими методами.
In the paper the comparison of effectiveness of gas shielding of molten metal in welding with self-shielding flux-cored wires of carbonate-fluorite type was carried out considering the properties of their cores investigated by thermal analytical methods.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Научно-технический раздел
Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
Effect of thermophysical properties of cores of self-shielding flux-cored wires on welding-technological properties
Article
published earlier
spellingShingle Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
Котельчук, А.С.
Научно-технический раздел
title Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
title_alt Effect of thermophysical properties of cores of self-shielding flux-cored wires on welding-technological properties
title_full Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
title_fullStr Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
title_full_unstemmed Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
title_short Влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
title_sort влияние теплофизических свойств сердечников самозащитных порошковых проволок на сварочно-технологические свойства
topic Научно-технический раздел
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146331
work_keys_str_mv AT kotelʹčukas vliânieteplofizičeskihsvoistvserdečnikovsamozaŝitnyhporoškovyhprovoloknasvaročnotehnologičeskiesvoistva
AT kotelʹčukas effectofthermophysicalpropertiesofcoresofselfshieldingfluxcoredwiresonweldingtechnologicalproperties