авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Разработка теоретических основ формирования обратной стороны шва с учетом физико-химических процессов в сварочной ванне и создание новых сварочных материалов для

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 621.791.75.04

Доронин Юрий Викторович

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ ШВА С УЧЕТОМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ И СОЗДАНИЕ НОВЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОДНОСТОРОННЕЙ

ДУГОВОЙ СВАРКИ СТАЛЕЙ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Московском государственном индустриальном университете и ООО «НПО Армцентр»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ямпольский Виктор Модестович

доктор технических наук, профессор

Потапов Николай Николаевич

доктор технических наук

Полосков Сергей Иосифович

Ведущее предприятие ОАО «НИКИМТ-Атомстрой»ОАО «НИКИМТ-Атомстрой»

Защита состоится " " 2010г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.01 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан " " 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.141.01.

доктор технических наук, доцент Коновалов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Переход на рыночные методы управления экономикой, осуществляемые в России в последние 15 лет, потребовал разработки новых подходов к понятию производительности труда, экономии материалов, снижению брака при производстве сварных конструкций.

Разработка передовых технологий, оборудования и сварочных материалов осуществляемая в различных отраслях промышленности направлена на повышение качества сварного шва в том числе и при односторонней дуговой сварке. В первую очередь, это относится к проблемам формирования обратного валика при дуговой сварке плавящимся электродом с использованием принудительного формирования, как процесса сварки, наиболее часто применяемого при сварке стыковых соединений металлоконструкций. Многочисленные исследования, выполненные по этому вопросу, не привели до сих пор к окончательному его решению, ввиду сложности процессов, происходящих в донной части сварочной ванны. Таким образом, развитие теоретических представлений о динамике движения металла сварочной ванны при сквозном проплавлении, механизме перемещения пограничных слоев металла сварочной ванны с пограничными слоями шлака и твердыми поверхностями формирующих устройств, изучение физико-химических свойств металлошлаковых слоев в условиях ограниченного взаимодействия по температуре и времени, является актуальной задачей.

Актуальность этой проблемы подчеркивали в своих трудах российские ученые: Акулов А.И., Ерохин А.А., Бельчук Г.М., Веселков В.Д., Чернышов Г.Г., украинские специалисты Богдановский В.А., Галинич В.И., Колиснык В.Н., а также К. Тераи, М. Арикава, Р.Кейси, Л. Корнелл, М.Бредстрит, У.Чадбенд, С.Уайли и другие зарубежные исследователи.





Научные исследования по теме диссертационной работы проводились в соответствии с научно-технической программой «Методы сварки и монтажа резервуаров и технологических трубопроводов на 1981-1985 гг. Минмонтажспецстроя СССР и научно-технической программой по проблеме 0.72.01. на 1986-1990гг. (Постановление ГКНТ СССР и АН СССР от 10 ноября 1985г).

Цель работы. Определение роли основных физических, физико-химических и гидродинамических процессов в сварочной ванне и разработка на их основе способов управления формированием обратной стороны шва, создание сварочных материалов для односторонней дуговой сварки сталей, обеспечивающих повышение качества сварных соединений и производительности процесса сварки. В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

- теоретически и экспериментально исследовать физические и физико-химические свойства шлаковых систем, участвующих в процессе формообразования обратной стороны шва;

- сформулировать основные требования к шлаковым системам, обеспечивающим

1

качество формы обратного валика при принудительном формировании и на весу при дуговой сварке сталей;

- изучить влияние и закономерности гидродинамических процессов в сварочной ванне и их связь с качеством формы обратного валика шва при различных шлаковых системах;

- синтезировать параметрический ряд составов сварочных материалов для формирования обратного валика шва при односторонней сварке сталей и создать технологию их изготовления;

- разработать технологические приемы, обеспечивающие качественную форму обратного валика шва в различных пространственных положениях.

Научная новизна работы. В результате теоретического и экспериментального анализа процесса формирования корневого валика одностороннего шва, установлено, что обратный валик одностороннего стыкового соединения образуется в результате взаимодействия потоков жидкого металла в донной части сварочной ванны и шлакового расплава формирующего устройства под действием объемных и поверхностных сил, перемещающих металл в сварочной ванне;

- установлено, что поверхностные слои шлакового расплава формирующего устройства неоднородны по составу из-за расслоения в результате разрушения гетерополярных и гомеополярных связей как внутри окислов, так и между окислами шлаковой системы;

- качественное формирование обратного валика в условиях двухфазного течения слоя металл-шлак в донной части сварочной ванны обеспечивается поверхностным натяжением шлакового расплава в диапазоне 480-650 мдж/м2 и вязкостью шлакового расплава в диапазоне 2-5 Пас при температуре взаимодействия cлоев 1450-1650С;

- указанные физико-химические свойства достигаются созданием в пограничном макрослое шлакового расплава упорядоченных зон (кластеров), состоящих из соединений окислов кремния, бора и алюминия при содержании SiO2 не менее 50% и наличие в составе не менее 10% Ме2О или 20% МеО2;

- шлаковые системы сварочных материалов, формирующих лицевую и обратную сторону шва при односторонней сварке в процессе взаимодействия проявляют химическую активность с жидким металлом донной части сварочной ванны и способствуют прохождению металлургических процессов в корне шва;

- применяемые в настоящее время для формирования обратного валика шва шлаковые расплавы имеют поверхностное натяжение в диапазоне 300…350мдж/м2, а вязкость 0,2…0,6 Пас и состоят из разупорядоченных зон не гарантирующих стабильность формы обратного валика шва.

Практическая ценность и результаты работы. Теоретические положения и результаты исследований и расчетов были использованы при разработке новых шлаковых систем, обеспечивающих качественное формирование обратного валика при дуговой сварке сталей. На основе разработанных шлаковых систем были созданы керамические флюсы, многослойные стеклоткани, стеклоленты и стеклостержни, а также технология их производства, производительностью до 500

2

тыс. погонных метров в год на ОАО «Тверьстеклопластик» г.Тверь и в НПО «Стеклопластик». Материалы и технология односторонней сварки в среде защитных газов прошла проверку в аттестационном центре Немецкого союза сварщиков в г.Дуйсбурге и рекомендованы для использования при сварке сталей марок А…D в судостроении.

Технология односторонней дуговой сварки металлоконструкций, технологических и магистральных трубопроводов внедрена в монтажном и специальном строительстве, в тресте Севкавэнергомонтаж, в ОАО «Промприбор», в ЗАО «Комиэнергомонтаж», в тресте «Севертрубопроводстрой» г. Надым, на предприятии ВЗМЭО (г. Волгодонск).

Новизна разработанных шлаковых систем, технологических приемов и оснастки потверждена 7 авторскими свидетельствами СССР, 2 патентами РФ, патентами США и ФРГ. В процессе работы созданы: методика измерения жидкой прослойки под дугой; методика измерения донных потоков в сварочной ванне; методика определения основного и электродного металла в корне шва при помощи радиоактивных изотопов; методика определения подтеканий, влияющих на формирование обратной стороны шва и способы их предотвращения. Экспериментально потвержден метод измерения скорости донных потоков, направленных в виде подтеканий по ходу сварки. Разработаны способ получения корневого валика при сварке толстостенных конструкций. Разработаны методы и промышленная технология изготовления многослойных двухкомпонентных стекловолоконных лент и стержней.

Специализированные сварочные материалы – подкладные ленты и стержни удостоены серебряной медали ВДНХ в 1986 году. Экономический эффект от использования предложенных разработок составляет в среднем 234 руб. на погонный метр шва.

По результатам выполненных исследований на защиту выносятся:

1. Результаты численной оценки влияния окислов металлов, солей, ферросплавов, входящих в состав подкладки, на формирование обратной стороны шва и образование дефектов.

2. Количественный критерий оценки физикохимических свойств шлакового слоя подкладки – поверхностного натяжения, динамической вязкости, краевого угла смачивания, температур плавления и затвердевания и их влияния на соотношение объемных и поверхностных сил в пограничном слое металл-шлак в корне шва.

3. Количественный критерий расчета поля скоростей перемещения металла сварочной ванны в зоне сквозного проплавления и перехода из головной в хвостовую часть и методы снижения влияния гидродинамических процессов на образование дефектов обратной стороны шва, обеспечивающие увеличение толщины свариваемого за один проход стыкового шва.

4. Методы оценки качества формы обратного валика шва по краевому углу смачивания шлаковой системы формирующего слоя подкладки и углу перехода усиления обратного валика и основного металла.

3

5. Способы создания многослойных подкладных лент для односторонней дуговой сварки плавящимся электродом с учетом плотности формирующего слоя и способа дуговой сварки за счет соотношения количества шлаковой фазы, образующейся при плавлении флюса, шихты порошковой проволоки, покрытия электродов с одной стороны, и шлака, выделяемого при плавлении подкладки, с другой.

6. Алгоритмы и номограммы расчета параметров режима односторонней дуговой сварки на основе моделей формирования обратного валика шва и с использованием параметрического ряда многослойных подкладных лент для различных способов сварки.

Апробация работы. Результаты работы были опубликованы:- на 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Прогрессивные методы сварки в тяжелом машиностроении и наплавки в черной металлургии» г.Жданов, 1977г.

- на Всесоюзной межвузовской конференции МВТУ им. Н.Э. Баумана 1983г., на Всесоюзной конференции по сварке в судостроении и судоремонте. 1987г. г.Николаев., в монографии « Односторонняя сварка в строительстве» Стройиздат.1990 г., на международной Конференции « Сварка-2008»,Санкт-Петербург. май 2008г.

-на межрегиональной конференции « Безопасность атомных станций» г. Волгодонск. 2008г.

Работа в целом обсуждалась на заседании кафедры oборудования и технологий сварочного производства Московского государственного индустриального университета, заседании кафедры « технологии сварки и диагностика» Московского государственного технического университета имени Н.Э.Баумана, заседании кафедры « технология сварки и сварочного производства » Волгодонского филиала Южно-Русского технического университета.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 36 работ, из них одна монография, 17 научных статей (7 по перечню ВАК ), 8 докладов на научных конференциях, 6 авторских свидетельств СССР, 2 патента РФ, 1 патент ФРГ, 1 патент США.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 353 страницах текста и иллюстрирована 51 таблицей, 125 иллюстрациями. Список литературы состоит из 155 наименований. Приложение (справки и другие материалы) содержит 10 страниц.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве: в работах [1,2,3,4] обосновал конструкцию и составы формирующих слоев подкладок. В работе [6] выполнил количественный расчет вязкости пограничных слоев шлака. В работе [10] разработал технологию нанесения формирующего слоя. В работе [11] предложил методику расчет химической активности шлаковой системы. В работах [12, 13] обосновал технологию текстурирования формирующих слоев. В работах [14, 15, 16, 17] сформулировал предмет изобретений. В работе [19] по результатам эксперимента определил долю электродного металла в сварном шве. В работе [20] обосновал необходимость использования критерия Пекле при оценке температурного влияния различных формирующих подкладок.

4

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, сформулирована цель диссертационной работы, приведены формулировки основных положений, выносимых на защиту.

Первая глава "Анализ способов, технологии, оборудования и сварочных материалов для односторонней дуговой сварки сталей" дает современное представление об односторонней дуговой сварке сталей и краткую характеристику способов односторонней дуговой сварки, обеспечивающих двустороннее формирование шва.

За последние четыре десятилетия односторонняя дуговая сварка сталей получила широкое распространение в отечественной промышленности и за рубежом. Важнейшие работы в этом направлении были выполнены в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИЭС им. Е.О. Патона, ЦНИИТС, ЦНИИ «Прометей», ВНИИСТ, ЛПИ им. Калинина, ВНИИмонтажспецстрое, а также в ряде зарубежных исследовательских центров, таких как Институт сварки в Кембридже (Великобритания), компании «3М» (США), «Линкольн Электрик» (США), судостроительных компаниях Японии, Канады, Австралии.

Тем не менее, как в России, так и за рубежом основной проблемой односторонней дуговой сварки плавящимся электродом по-прежнему является сложность получения качественного обратного валика. Решение этой проблемы в основном, базируется на использовании традиционных способов формирования обратной стороны шва - на медной подкладке, флюсовой подушке, флюсомедной подкладке при сварке плосколистовых конструкций и использовании малогабаритных подкладок при сварке криволинейных конструкций-трубопроводов, обечаек, резервуаров. Разработанные в последние годы источники питания сварочной дуги фирмы «Линкольн» обеспечивают стабильную форму корня шва при сварке в среде защитных газов за счет применения специальных циклограмм, исключающих прожог и позволяющих влиять на вектор давления дуги в сочетании с плавным перетеканием жидкого электродного металла в сварочную ванну без ударных нагрузок. Тем не менее, как электроды при сварке на весу, так и источники питания со специальными циклограммами, в основном, гарантируют формирование корня шва при сравнительно невысоких токовых нагрузках.

Работами А.И. Акулова, Г.Г. Чернышова, Э.А. Гладкова, Г.М.Еремеева, А.М. Рыбачука, В.Д. Тарлинского, И.Л. Емельянова и других исследователей установлено, что стабильную форму обратного валика шва при односторонней сварке сталей, как плавящимся, так и неплавящимся электродом можно обеспечить в отдельных случаях, лишь комплексно влияя на сочетание факторов, определяющих бездефектное формирование и прочностные характеристики одностороннего однопроходного соединения.

Предварительные исследования, проведенные автором при односторонней сварке стыковых швов толщиной до 16мм плавящимся электродом на малогабаритных формирующих устройствах показали, что стабильность размеров обратной стороны шва при однопроходной односторонней сварке возможна

без использования стационарных громоздких пневматических

5

или электромагнитных стендов с усилиями поджатия более 100кг/мм2. Цель достигается путем подбора физических и физикохимических свойств шлака подкладной керамики, являющегося изложницей для металла сварочной ванны в условиях статического и динамического равновесия.

Известно, что условия формирования обратного валика отличаются от условий формирования лицевой поверхности, а именно:

- время пребывания металла и шлака в расплавленном состоянии в корне шва значительно меньше;

- температура в корне шва сварочной ванны на 250-300С ниже;

- условия перемещения пограничного слоя донной части сварочной ванны в область кристаллизации существенно отличаются от аналогичной на лицевой поверхности;

- физико-химические явления на границе «металл-шлак» в корне шва значительно отличаются от аналогичных на поверхности лицевого валика;

Однако до настоящего времени для односторонней сварки применяются стандартные сварочные материалы - флюсы, порошковые проволоки и электроды, не учитывающие особенностей условий формирования и металлургических процессов, происходящих в корне шва;

Поэтому, пути решения основных проблем односторонней сварки связаны с рассмотрением основного вопроса:

- формирующий обратный валик сварочный материал, должен создаваться на основе результатов основных металлургических и физико-химических процессов на границе «металл сварочной ванны - шлак подкладки», определяющих требования к физико-химическим свойствам шлаковой системы материала, обеспечивающих получение заданных параметров обратного валика;

- шлаковые системы сварочных материалов, используемых при односторонней сварке (флюсы, электроды, порошковые проволоки) для стабилизациии процесса формирования обратного валика должны соответствовать по металлургическим и термодинамическим свойствам шлаковым системам формирующих подкладок;

Вторая глава "Исследование и разработка теоретических основ формирования обратной стороны шва при односторонней дуговой сварке сталей" посвящена статическим и динамическим моделям равновесия сил, действующих в сварочной ванне.

В главе представлены результаты исследований формирования корня шва, показывающие, что в условиях принудительного формирования корня шва стабильность размеров обратного валика зависит от поверхностных свойств шлаковой ванны, в которой происходит процесс формирования и кристаллизации жидкого металла. Установлено, что макронатеки по ширине обратного валика появляются в результате прорыва жидкого металла в естественные зазоры между подкладкой и основным металлом и могут быть устранены за счет увеличения поверхностного натяжения шлака.

6



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.