Автореферат (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)

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 Па·с при температуре взаимодействия cлоев 1450-1650˚С;

- 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 Па·с 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