Содержание к диссертации
Введение
1. Механизм сцепления брызг (капель) с поверхностью свариваемого металла при сварке в СО2
1.1. Формообразование и теплообмен брызг (капель) расплавленного металла в процессе сварки в ССЬ [1, 2,20,33]
2. Параметры, определяющие прочность сцепления капель с поверхностью свариваемого металла
2.1. Исследование температурных полей капель расплавленного металла в месте контакта их с поверхностью свариваемого металла
3. Защитные покрытия и их характеристики
3.1. Требования к применяемым защитным покрытиям [21,47,50,51]
Литература
- Формообразование и теплообмен брызг (капель) расплавленного металла в процессе сварки в ССЬ [1, 2,20,33]
- Исследование температурных полей капель расплавленного металла в месте контакта их с поверхностью свариваемого металла
- Требования к применяемым защитным покрытиям [21,47,50,51]
Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что наибольшая доля затрат при :варке в СОг приходится на зарплату и сварочные материалы. Поэтому для по-іьішения экономической эффективности сварки в С02 необходимо в первую >чередь снижать расходы по этим статьям. Это может быть достигнуто умень-пением сечения разделки и катета шва, уменьшением разбрызгивания, увеличением коэффициента наплавки и скорости сварки, экономией расхода С02 и яижением стоимости защитного газа, уменьшением трудоемкости изготовле-іия сварных конструкций, увеличением ресурса работы сварочной аппаратуры.
Сварка в углекислом газе является высокопроизводительным процессом, го имеет существенный недостаток, заключающийся в повышенном разбрыз-ивании металла, что ведет к сцеплению капель металла с поверхностью свари-іаемьіх деталей и элементов сварочной аппаратуры. Трудоемкость зачистки варных соединений от брызг весьма значительна и в некоторых случаях дос-игает 30-40% трудоемкости всего процесса сварки, а трудоемкость зачистки іеталей сварочной аппаратуры составляет 10-15% от нее [1,2, 20,21, 25].
Процесс зачистки осуществляется ручными шлифовальными машинами и ибромолотками, уровни виброскоростей которых, как правило, превышают анитарные нормы, что приводит к виброболезни рабочих, занятых на этой шерации. Анализ заболеваемости виброболезнью рабочих показывает, что [редрасположенность их к этой болезни появляется через 7-8 лет ра'оты, л ся-іа виброболезнь наступает уже к 10 годам работы [73].
Забрызгивакие газоподводяшего сопла горелки ухудшает заиі.тгу :;оін. :варки и приводит к образованию пор в металле шва. К тому же оно вызывает (ополнительньп: нагрев деталей сварочной горелки, что ведет к преждевре-іенному выходу из строя сопел, изоляционных втулок и токоподводящпх гундштуков.
Решению указанной проблемы посвящены работы Б.Е. Патона, А.Г. По-апьевского, В Л. Лаврищева, И.И. Зарубы, Н.Г. Дюргерова, А.И. Акулова, В.К. Іебедева, Н.Ф. Медведенко, A.M. Попкова, В.В. Степанова, Ю.Н. Сараєва, \.Ф. Князькова, Н.М. Будника, а также работы сотрудников кафедр сварки Че-'ябинского государственного политехнического университета, Урачьского го-ударственного политехнического университета, МГТУ им. Баумана и др. Ис-ледования по снижению разбрызгивания металла при сварке в углекислом газе іедутся в двух направлениях. Первое направление заключается в выборе режи-юв сварки, уменьшении величины тока короткого замыкания за счет введения і систему "источник питания - электрическая дуга" индуктивного или активно-о сопротивления; в создании систем, обеспечивагапшх кратковременное снижение мощности взрыва жидкой перемычки между каплей и электродом в нагельный период горения дуги после короткого замыкания; в разработке и при-іенении новых сварочных материалов и приемов сварки; в окислении поверх-юсти брызг защитным газом.
Второе направление характеризуется использованием различных защит-
ных покрытий. Применение известных защитных покрытий и известными спо собами, сдерживается из - за высокой стоимости и низких технико экономических показателей; ухудшения санитарно-гигиенических условиі труда; отсутствия конкретных рекомендаций по выбору состава защитных по крытий, оптимальной толщины слоя покрытия наносимого на поверхность де талей свариваемого изделия и сварочной аппаратуры.
Разработка указанных задач позволит решить актуальную проблему при менения высокопроизводительной сварки, а именно сварки в углекислом газе.
Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследо ваний разработать технологию и средства снижения набрызгивания на поверх ности свариваемых деталей и элементов сварочной аппаратуры, для этого не обходимо изучить механизм сцепления брызг металла с поверхностями указан ных деталей; исследовать влияние состава защитных покрытий на технологи ческие и электрические характеристики процесса сварки; разработать техноло' гию приготовления и нанесения покрытий; создать методику расчета толщинь слоя защитного покрытия и его расхода с целью эффективного применена указанного способа сварки.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с помощью методов математической статистики, планирования многофакторногс эксперимента, апробированных методов математического анализа, эвристических методов (изобретения, патенты).
Часть задач решена численными методами на ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях и цехах завода, на экспериментальных образцах и серийно выпускаемых установках.
Научная новизна. Проведено теоретическое обобщение задачи о механизме сцепления брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемогс изделия и узлами сварочной аппаратуры. Впервые разработаны математические модели теплового взаимодействия брызг расплавленного металла с поверхностями свариваемых деталей и уравнения, позволяющие определит! дальность и время полета брызг. Микроструктурным анализом установлена зависимость диаметра пятна межатомного взаимодействия капли и свариваемогс металла от температуры подогрева образца (в диапазоне температур от 150 дс 800С) и состояния поверхности, а также установлена прочность сцепления капель от площади контактной поверхности.
Впервые определены параметры влияющие на прочность сцепления капель (брызг) со свариваемой поверхностью. Предложены математические модели, позволяющие оптимизировать указанные параметры с целью снижения трудоемкости при удалении капель.
Установлено, что сцепление брызг расплавленного металла с поверхностью деталей сварочной аппаратуры и свариваемых изделий происходит за счет механического сцепления с неровностями поверхности, физико-химического сцепления образующихся соединений типа шпинелей и приваривания, основанного на межатомном взаимодействии капли металла с поверхностью свариваемых изделий и деталей аппаратуры в месте контакта.
Показано влияние защитных покрытий на электрические и технологиче-кие показатели процесса сварки, технико-экономические и санитарно-игиенические характеристики.
Разработаны новые составы защитных покрытий и эффективные техно-:огии их приготовления и нанесения, включающие покрытия на основе суль-штно-спиртовой барды следующего состава: 1) 20...40 г. мыла, 20...30 г. каль-іинированной соды и 50... 100 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 і. воды; 2) 25...45 г. мыла, 15...25 г. кальцинированной соды, 25...50 г. каолина [ 60...110 г. концентрата сульфитно-спиртовой барды на 1 л. воды. Разработан-[ые составы обладают хорошими защитными свойствами, смачиваемостыо и ермостойкостью и не оказывают влияния на механические свойства и химиче-кий состав металла шва.
Практическая ценность н реализация результатов работы. Теорети-іеские и экспериментальные результаты работы доведены до конкретных фор-іул и методик, удобных для проведения инженерных расчетов, результаты ко-орых могут быть использованы при выборе рациональной технологии изго-овления сварных конструкций с помощью сварки в углекислом газе с приме-гением защитных покрытий; а так же при оптимизации конструкции отсекате-[я в системе подачи газа в зону сварки.
Разработаны методики: определения толщины слоя, наносимого на по-іерхность и нормирования расхода материала покрытий в зависимости от режимов сварки; нормирования расхода сварочных материалов и электроэнергии: исчета экономической эффективности с учетом применения защитных покоы ий; расчета стабилизированного режима подачи газа з зону сварки; р&ірабет :н нового состава покрытия.
Разработаны и внедрены эффективные средства, снижающие трудоем-:осгь процесса сварки в углекислом газе, такие как устройство для сборки ре-ервуаров из обечаек; установка для сварки; токопроводящие наконечники к 'орелкам; станки для очистки и намотки сварочной проволоки.
Разработана и внедрена технология изготовления и применения защитно-о покрытия и средств, обеспечивающих процесс сварки, причем на несколь-;их сварочных постах одновременно.
Предложен метод расчета ожидаемой продолжительности работы горелая до момента очистки ее от брызг в зависимости от режимов сварки и диамет->а сопла горелки.
По результатам исследований разработаны два стандарта предприятия, а инструкции средств, обеспечивающих разработанный процесс сварки, защи-цены 17 авторскими свидетельствами и патентами.
Результаты работы широко внедрены на Днепропетровском опытном за-юде полимерного машиностроения, Славгородском химическом заводе Алтай-:кого края, заводе «Кузбассэлектромотор» (г. Кемерово) и др.
Внедрение результатов работы в ПО "ЮМЗ" дало экономический эффект їолее 400 тыс. рублей (цены на 1990 г.) и социальный эффект, заключающийся і снижении заболеваемости рабочих виброболезнью.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: I научно-технической конференции молодых специалистов Юргинского машиностроительного завода (1969), III областной научно-технической конференции "Внедрение новых методов обработки в машиностроении Кузбасса" (Кемерово, 1970), XXVII научно-технической конференции Челябинского политехнического института (1974), областном семинаре секции сварочного производства НТО Машпром (Кемерово, 1974) и обсуждались на семинарах ЧПИ, УПИ, КИИ и Института электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в 1977-1979 гг., III научно-методической конференции ММФ ТЛИ (Томск, 1990), на Первой совместной российско-американской деловой конференции, посвященной проблемам науки, технологии и конверсии военной промышленности (США, Нью-Йорк, Международный институт материалов и технологий, 1994), IX научно-практической конференции(Юрга, 1996), 3-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1997), Российской научно-практической конференции "Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования" (Юрга, 1997), X научной конференции, посвященной 40-летию Юргинского филиала Томского Политехнического Университета, "Технология и оборудование машиностроительных производств" (Юрга, 1997). Переведены издательством Великобритании и вошли в международный сборник "Welding International" статьи "Влияние термостойкости покрытий на эффективность защиты поверхности свариваемых изделий от брызг (капель) расплавленного металла", "Исследование смачивания защитными покрытиями поверхности свариваемых изделий", "Механизм сцепления брызг (капель) с поверхностью свариваемого металла" и "Методика определения толщины покрытия для защиты поверхности свариваемого изделия от брызг расплавленного металла".
Практические разработки: держатель, металлокерамическая изоляционная втулка к горелкам для сварки в СО2, механический диафрагменный отсека-тель газа, механизм (приставка) автоматического регулирования вылета электродной проволоки, устройство для сборки под сварку, горелка для аргоно -дуговой сварки, эмульсия для защиты поверхности свариваемых изделий и сварочных горелок от брызг расплавленного металла при сварке в С02 экспонировались на ВДНХ СССР. Механизм (приставка) автоматического регулирования вылета электродной проволоки, держатель для сварки в углекислом газе, металлокерамическая изоляционная втулка удостоены бронзовой и серебряной медали.
Публикации. В диссертации обобщены результаты научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии автора в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя в период с 1968 по 1997 гг. в области разработки теоретических основ, технологии и средств снижения набрызгивания и уменьшения трудоемкости работ сварки в СО2.
Всего по теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 105 работ, из которых 25 в центральных и международных изданиях, получено
Формообразование и теплообмен брызг (капель) расплавленного металла в процессе сварки в ССЬ [1, 2,20,33]
Результаты расчета, выполненные по уравнению (4), показывают, что капли диаметром 1,0...4,0 мм за время своего полета остывают незначительного температур 2833-;-3073К [33]). Так, например, капля диаметром 2 мм при падении на расстояние 150 мм от оси сварного шва охлаждается всего на 373 К. Капли диаметром 1 мм в момент контакта с поверхностью свариваемой детали находятся в жидком состоянии.
Соударение капли со свариваемой деталью вызывает деформацию первой (см. рис.1) и способствует их физическому контакту. В зоне соударения возникает давление Р, которое является составляющей напорного давления Р„ (или динамической составляющей) и ударного давления Ру, возникающего вследствие эффекта гидравлического удара.
Кинограммы удара жидких капель о твердую поверхность показывают, что в первый момент соударения в месте контакта с деталью жидкость упруго деформируется. Только через промежуток времени ty=d0/c (с — скорость звука в расплаве, м/с), равный 0,1 мс для мелких и 1,0 мс для крупных и достаточный для достижения фронтом ударной волны (движущейся от места ее столкновения с деталью) свободной поверхности капли, в месте удара образуется тонкий плоский слой жидкости растекающейся капли, вызванный ее упругим сжатием. Далее капля деформируется равномерно. Максимальное ударное давление можно оценить, используя выражение из курса аэродинамики Py=j-PoY (5) где и - коэффициент жесткости капли который учитывает релаксационную способность жидкости капли в зависимости от ее скорости и формы; р -плотность расплава, кг/м ; V- скорость движения капли в момент удара, м/с.
Результаты расчетов, выполненных для данного случая, показывают, что ударное давление различно для капель разного диаметра и составляет 300 МПа для мелких капель и 10 МПа для крупных. Рассчитанное по уравнению Бер нулли Рц= p-V напорное давление капли составляет 10 МПа для мелких капель и 7 МПа для крупных.
График распределения температуры в системе в различные моменты времени {ti tu tui): h(t; г) — высота подвижного фоонта кристаллизлиии на расстоянии г от оси капли в различное время; H(t; г) — высота свободной поверхности жидкости Если высота капли на ее оси за время деформации равномерно уменьшается от d до h со скоростью F движения капли в момент удара, то длительность действия напорного давления будет определяться временем ее деформации Большое ударное давление способствует очистке поверхности детали в месте удара и приводит материал капли и детали в физический контакт. Напорное же давление, действующее на протяжении всего времени деформации и затвердевания капли, за счет своей длительности способствует увеличению степени сцепления материала капли с материалом детали.
Для анализа физико-химического взаимодействия капли с поверхностью детали необходимо было установить контактную температуру Гк, время теплового взаимодействия капли с деталью до момента затвердевания 3, высоту затвердевшей капли h3 и краевой угол в, характеризующий степень смачивания rОС Г каплей поверхности детали.
Подобная задача решена для частиц, напыленных на твердую поверхность, с учетом фазового перехода контактируемых материалов. Эта методика положена в основу теоретических и экспериментальных исследований. При решении данной задачи было принято, что капля приваривается к поверхности детали, когда контактная температура выше температуры плавления контактирующих материалов (Т Тт), и сцепляется с нею, когда TK TW.
При ударе капли о поверхность детали кинетическая энергия движения вызывает деформацию капли. Одновременно с растеканием капли по поверхности от более холодной части детали движется фронт кристаллизации. Деформация капли заканчивается тогда, когда фронт кристаллизации встречается со свободной поверхностью капли.
Ввиду сложности процессов деформации и теплообмена капли с деталью эти взаимосвязанные явления рассмотрены раздельно.
Показано, что в момент удара капли о поверхность детали в зоне контакта устанавливается контактная температура, равная: ТС тк = тдо + (гпл - т№ )_—p-jrpj (6) где Гдо - начальная температура детали; Гпл - температура плавления капли; К = bz- ЦП - критерий тепловой активности материала затвердевшей части капли по отношению к материалу детали (ЛкА и азк, аА - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материала затвердевшей капли и детали соответственно); а - корень уравнения: ( 2 ai г Г- ( 2\ ЄХР K3+erf(a) VIV J- MV ( fc-\ (7) где L - удельная теплота затвердевания, Дж; аъ.к - теплоемкость затвердевшей части капли; а„ - коэффициент температуропроводности расплавленной капли; се = к Iзк - критерий тепловой активности расплавленного металла кап к з л! Чзк V ак ли относительно затвердевшего (Ли Лк - коэффициенты теплопроводности материала расплавленной и затвердевшей капли соответственно); TK(tmn) - температура капли в момент контакта с деталью, зависящая от диаметра капли d и дальности ее полета, т.е. температура, до которой охладилась капля за время ее полета Гпол из зоны сварки к поверхности детали.
Высота фронта затвердевшей части капли в любой момент времени определяется выражением / (0 = 2а-v 7. (8) Для сильно перегретых капель (для которых Тр-Т2К), преобразуя уравнение Лапласа, получили выражение для Гк до начала затвердевания Тк = Гда+- -[rJO-rJ- ZK -erf 2K, \ ( ) _ я а где j = ж І an — критерий тепловой активности капли относительно де тали; к = к - безразмерная константа; hc - высота свободной поверхно Кє +1 сти капли. Из выражения (9) следует, что в момент контакта сильно перегретой капли с деталью устанавливается контактная температура тк(0)= тло + - - [,0(tmj) -Г ддо ]. К + 1 (10)
За время теплового взаимодействия материалов капли и свариваемой детали принято время затвердевания капли tz. Для капель, характеризующихся коэффициентом а 0, t3 можно вычислить, зная скорость и высоту свободной поверхности капли, деформированной в результате удара: t% 2 ПІ) Аа агк При расчете степени привариваемости капли к детали определялись Тк и коэффициент а по уравнениям (8НП) с помощью ПЭВМ для стали СтЗ (проволока Св-08Г2С ГОСТ 2246 - 85). Отрицательные коэффициенты а соответствуют условию Гк Тпп, что свидетельствует о подшгавлении детали под жидкой каплей и приваривании последней к детали.
После затвердевания Гк и температура капли быстро снижаются ввиду интенсивного перехода тепла от капли в деталь до полного выравнивания температуры свариваемого изделия. Изменение Тк при затвердевании жидкой капли в зависимости от начальной температуры свариваемой детали рассчитывали по формуле (9). Как видно на рис. 2, в течение определенного времени перед началом затвердевания Гк остается постоянной. С повышением Гдо этот период увеличивается.
Для определения h3 изучалась деформация капли расплавленного металла при соударении с поверхностью детали. Установлено, что в процессе затвердевания h3 уменьшается, а площадь контакта капель с поверхностью свариваемой детали и усилие их среза возрастают с увеличением диаметра капли.
Согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия движущейся капли в результате соударения расходуется на изменение поверхностной и потенциальной энергии капли в поле тяготения и на кинетическую энергию ее растекания.
Для крупных сильно перегретых капель достаточно рассмотреть установившуюся форму их поверхности, пренебрегая кинетикой растекания. Формулу для определения энергии системы "покоящаяся капля - поверхность детали" можно записать в следующем виде:
Исследование температурных полей капель расплавленного металла в месте контакта их с поверхностью свариваемого металла
Под активацией поверхности следует понимать сообщение поверхностным атомам твердого тела некоторой энергии (энергии активации), необходимой для обрыва связей между поверхностными атомами твердого тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи (очистка поверхности).
Процесс сцепления (приваривания) брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия и сварочной аппаратурой, т.е. образования соединения, определяется энергией активации, которую необходимо затратить для того, чтобы появился физический и химический контакт между частями металлических поверхностей. Сцепление брызг при сварке в С02 можно рассмотреть по известной схеме Леннардо - Джонса, применяемой для анализа явления схватывания при сварке в твердом состоянии. Исходя из этой схемы, величина энергии активации при сцеплении брызг должна зависеть от толщины пленок на поверхности раздела брызги и металла. Поэтому окислы и карбиды на поверхности как брызги, так и свариваемого металла должны увеличивать энергию активации.
Чем выше энергия активации, тем меньше вероятность того, что появится чисто металлический контакт, и тем меньше вероятность приваривания брызг. При наличии на поверхности деталей толстых химических пленок металлический контакт между брызгой и деталью может не образоваться, при этом наблюдается механическое сцепление брызги с деталью.
Экспериментами, выполненными автором, установлено, что прочное сцепление жидких капель (брызг) с поверхностью свариваемых деталей также существенно зависит от характера обработки поверхности. Очистка кромок свариваемых деталей наждачным кругом и пескоструйной обработкой приводит к образованию высоких и острых выступов. При попадании на деталь капля контактирует с большим количеством выступов, чем на незачищенной детали. Помимо этого высокие выступы нагреваются до более высокой температуры вследствие теплонасыщения.
Для подтверждения теоретических предпосылок сцепления брызг были выполнены эксперименты по наплавке в С02 проволокой Св-08Г2С (ГОСТ 2246-85) диаметром 1,6 мм образцов из сталей Ст 3 и 09Г2С в состоянии поставки и зачищенных наждачным кругом и в пескоструйной камере. Результаты полученных экспериментальных данных приведены на рис. 3. Из рисунка видно, что процент трудноудалимых брызг от их общего количества достигает для поверхности, зачищенной наждачным кругом, около 73%, для поверхности отпескоструенной - 67% и для поверхности в состоянии поставки - 47%.
Металлографическим анализом установлено, что в случае очистки наждачным кругом суммарная площадь сцепления с деталью приварившихся брызг составляет (0,75) Д, где Д - диаметр контакта капли с поверхностью образца. Для отпескоструенной поверхности соответственно (0,5) Див состоянии поставки (0,25) Д. Следовательно, имеющиеся на поверхности образцов в состоянии постав 15 ки адсорбированные продукты, связанные с поверхностными атомами относительно слабыми связями, например кислород, и окислы на поверхности металла, а также жиры, масла, пыль и т.п., препятствуют образованию физического контакта между каплей и поверхностью металла, увеличивая, тем самым, энергию активации поверхности.
Зависимость количества труд-ноудалимых брызг от /св для поверхности образца, зачищенной наждачным кругом (7), прошедшей пескоструйную обработку (2) и в состоянии поставки (3) 200 250 300 350 400 450 Гсв.А Исследование процесса сцепления брызг с поверхностью металла, предварительно нагреваемой до все более высокой температуры, показало, что при этом происходит увеличение диаметра Дх сцепляемых брызг с поверхностью металла и увеличение прочности сцепления. Наихудшим вариантом является сцепление брызг по всей площади контакта Дх/Д = 1 (Дх - диаметр физико-химического взаимодействия капли с поверхностью свариваемого металла).
По результатам обработки экспериментальных данных построены графические зависимости (рис. 4 и 5).
Анализ теоретических и экспериментальных данных позволил установить, что возможность сцепления (сплавления) брызг с поверхностью свариваемого изделия и сварочной горелки определяется следующими факторами: природой материалов, величиной энергии активации, шероховатостью поверхности и теплосодержанием.
Следовательно, при прочих равных условиях уменьшить Дх сцепления брызг с поверхностью можно за счет увеличения энергии активации поверхности металла, например, посредством нанесения на нее защитных покрытий.
При попадании капли на слой покрытия происходят затрата тепла на разложение и испарение покрытия с образованием паров и газов, которые отталкивают каплю от детали, препятствуя длительному контакту капли с поверхностью в одном месте. Капля перемещается по пластине, что хорошо видно по следам оплавленных покрытий и загрязнений. В подтверждение изложенного был проведен эксперимент по сжиганию покрытий с целью установления объема выделившихся газов и паров одного грамма вещества покрытий.
Навеска вещества в 0,2 г сжигалась при 1000 ... 1100 С в печи Марса, соединенной с прибором - кальциметром, где определялся объем выделявшихся газов. Усредненный по результатам 10 опытов объем газов, выделившихся при сгорании различных покрытий, приведен в табл. 1.
Установлено, что наибольшее количество газов и паров выделяют разработанные автором покрытия - эмульсии (по A.c. № 239013 и A.c. 923784), КБЖ и АД. Скоростная киносъемка процесса сварки подтверждает, что именно те покрытия, которые выделяют большое количество газов, обеспечивают минимум приваривания брызг.
Требования к применяемым защитным покрытиям [21,47,50,51]
Одной из важных и малоизученных областей являются реологические свойства защитных покрытий. Одним из основных реологических свойств защитных покрытий является их вязкость при сдвиговом режиме деформирования. Основной закон вязкого течения жидкостей - закон Ньютона: P = rj-e, (37) где Р и г- соответственно напряжение и скорость деформации (сдвига); г\ - вязкость системы, Па-с. Для исследования реологических характеристик вязко - пластичных сред, какими являются защитные покрытия, автором разработана оригинальная конструкция вискозиметра [1].
За исследуемую реологическую модель защитного покрытия принята упруго - вязко - пластическая модель Бингама - Шведова (рис. 6). Структурная реологическая модель имеет вид: tf=№-[ M))]=H -[(Н-N)8], (38) рпр гт - реологическая модель покрытия; Но - УПРУГОе тело Г ука хараКТвРИ-зующее мгновенную УПРУГОСТЬ материала; М - тело Максвелла имеющее вид Ьїі - Ы; Ні - упругое тело Гука характеризующее упругие свойства покрытия; N - вязкое тело Ньютона, характеризующее вязкие свойства; 8 - пластическое тело Сен-Венана, характеризующее пластические свойства материала.
Для составления математической модели деформации защитного покрытия использовали следующие принципы реологии. Деформация реологической модели защитного покрытия (рис. 6) будет сла t гаться из деформации элемента Но и деформа Но ции комплексного тела (Н, - М) 8. После преобразований всех уравнений скорость деформации модели Бингама - Шведова равна сумме скоростей деформаций элемента Но и комплексного тела 1 и определяется зависимостью: Рис. 6.Структурная реологическая модель защитного покрытия 2/7 IGoGx It] где т г/_ тангенциальное напряжение и скорость сдвига МПа и МПа с соответственно; Go Gt -МОДУЛИ сдвига А4 У\я ті - коэфгЬигтиент вязкости ПРИ сдвиге IVllla с; ТТс - предел пластичности
Уравнение (40) является обобщенным линейным неоднородным уравнением первого порядка с постоянными коэффициентами. Его можно использовать для описания как стационарных, так и для переходных режимов работы исследуемого материала. Для случая стационарного режима величина х становится величиной постоянной, и, следовательно, производная обращается в нуль, и уравнение (40) принимает вид:
Предложенная реологическая модель может быть использована при разработке оптимальных составов покрытий, обладающих наилучшими реологическими, санитарно-гигиеническими и технико-экономическими показателями. Показано, что защитные покрытия являются ньютоновскими системами и обладают тиксотропными свойствами. При увеличении концентрации наполнителя в защитных покрытиях возрастает вязкость. Зависимость вязкости от концентрации наполнителя в логарифмическом масштабе носит линейный характер. Критическая концентрация наполнителя в растворе является характеристикой системы и определяет разработку и применение защитных покрытий.
Экспериментальными исследованиями было установлено, что защитные покрытия, наносимые на кромки свариваемых деталей, попадая в зону дуги, существенно влияют на параметры дуги и технологические характеристики сварки в СОг- Изучение влияния защитных покрытий на электрические и технологические характеристики производилось с помощью скоростной киносъемки кинокамерой СКС - 1М и осциллографирования изменения напряжения и тока сварки.
Влияние защитных покрытий на технологические характеристики оценивалось по изменению разбрызгивания и набрызгивания капель. Потери на разбрызгивание и набрызгивание определялись по общепринятым методикам как отношение веса прилипших к образцу капель расплавленного металла к общей массе расплавленной электродной проволоки.
Эксперименты проводили при сварке стыковых образцов и наплавке валиков на пластины из стали Ст 3 толщиной 6 мм в углекислом газе (ГОСТ 8050 -76) проволокой Св - 08Г2С диаметром 1,2 и 1,6 мм (ГОСТ 2246 - 85) и омедненной проволокой 10MnSi6 диаметром 1,2 мм. Расход углекислого газа составлял 600 - 1000 л/ч. Режимы сварки были выбраны в соответствии с применяемыми в сварочном производстве рекомендациями. Исследованиям по единой методике были подвергнуты следующие защитные покрытия: водный раствор мела (MB), водный раствор сульфитно - спиртовой барды (КБЖ), мел с жидким стеклом (МЖС), алюминиевая пудра с жидким стеклом (АЖС), циркон с жидким стеклом (ЦЖС), циркон с поливинилбутиральным лаком (ЦПР), алюминиевая пудра с декстрином (АД), препарат «Дуга - 2М», силиконовый крем и покрытие из кремнеорганической жидкости ГКЖ - 94.
Установлено, что нанесение на пластины покрытий АЖС, ЦЖС и МЖС приводит к увеличению длины дуги, размера капель и времени их пребывания на электроде. Частота перехода капель в шов и число коротких замыканий разрядного промежутка изменяются. Защитные покрытия MB, КБЖ и «Дуга - 2М» не оказывают существенного влияния на изменение электрических характеристик процесса сварки и переноса электродного металла. При сварке с покрытиями АЖС, ЦЖС и МЖС потери на разбрызгивание (рис. 7) и набрызгивание (рис. 8) увеличиваются. Покрытия MB, КБЖ и «Дуга - 2М» дают небольшое увеличение потерь на разбрызгивание.
Забрызгивание выходного отверстия газового сопла горелки приводит к образованию пор в металле шва. Для определения влияния параметров режима сварки на время непрерывной работы горелки до появления пор проводились опыты по полуавтоматической наплавке валиков на пластины из стали Ст 3 полуавтоматом ПДПГ - 500 с источником питания ПСГ - 500 в СОг в нижнем положении.