Расчет состава металла шва при сварке порошковой проволокой

Подробности

Опубликовано 09.07.2015 08:16

Просмотров: 2980

Для того чтобы регулировать состав металла шва (наплавленного металла) необходимо знать процессы, протекающие на различных стадиях формирования капли, уметь прогнозировать взаимодействие фаз и определять их конечный состав. Поэтому представим процесс сварки в виде физической и математической моделей, учитывающих переход всех элементов, их исчезновение (выгорание, окисление) и прирост (диссоциацию).

Физическая модель процесса. Физическую модель ручной дуговой сварки можно представить следующим образом. Первая стадия — нагрев и плавление электрода. Она, в свою очередь, подразделяется на нагрев электрода до плавления и плавление. Во время нагрева происходят такие процессы, как диссоциация различных соединений, испарение воды и взаимодействие шихтовых материалов в твердом состоянии. На под-стадии плавления образуются капли металла, шлака и капли металла, покрытые шлаком. Вторая стадия — перенос капель от электрода в ванну (стадия капли), третья — стадия ванны. В этот период происходит взаимодействие капель металла и шлака с газом и между собой.

Электрод состоит из стержня (металл) и обмазки (неметаллические компоненты и ферросплавы). Капля металла образуется из металлических элементов стержня и металлических компонентов шихты. Кроме того, капли покрыты шлаком, сформировавшимся из неметаллических компонентов обмазки и окислившихся металлических компонентов обмазки и стержня. Из таких капель создаются металлическая и шлаковая ванны.

Формирование металла шва осуществляется за счет перемешивания различных компонентов в данный момент времени. Для построения физической модели вам потребуется аренда сварочного оборудования (http://stroyrent.spb.ru/svarochnoe_oborudovanie/).

Математическая модель процесса. Степень (полноту) развития реакции на каждой стадии с участием элемента в металле можно охарактеризовать коэффициентом перехода (усвоения) г),-, понимаемым как доля массы элемента, остающаяся в наплавленном металле (металле шва): где г — коэффициент перехода элемента; т— масса элемента ;, сохранившаяся в данном объеме металла (на данной стадии) после взаимодействия; т° — первоначальная масса элемента / в металле, рассчитываемая путем суммирования масс элемента во всех металлических компонентах сварочных электродов (порошковой проволоки).

Очевидно, что величина представляет собой степень окисления (потерю) элемента на данной стадии. Значения, для каждого элемента на разных стадиях могут существенно различаться. Так, на стадии нагрева можно ожидать окисления большинства компонентов, особенно элементов с большим химическим сродством к кислороду. На стадии капли, напротив, те же самые элементы могут заметно восстанавливаться.

Учет различий - на разных стадиях и их теоретическая оценка будут рассмотрены далее, а на первом этапе для иллюстрации общего подхода допустим, что для данного типа сварочных материалов суммарный эффект всех реакций с участием данного элемента на всех стадиях можно оценить эффективным коэффициентом перехода, сохраняющим постоянное значение в определенном диапазоне применяемого вида и состава шихтовых материалов. Это допущение существенно упрощает вычисления и, как оказалось, вполне приемлемо для решения обратной задачи — корректировки состава покрытия сварочных электродов (шихты порошковой проволоки).

Процессы формирования металла шва при ручной дуговой сварке и сварке порошковой проволокой близки, поэтому опишем их на примере сварки порошковой проволокой.

Усредненный коэффициент перехода определяется для конкретных условий сварки и не позволяет расчетным путем определять коэффициент перехода элемента при изменившихся условиях сварки. В связи с этим была поставлена задача определить парциальные коэффициенты перехода элементов, те. коэффициенты перехода на каждой стадии нагрева и плавления, и их зависимость от параметров режима сварки.

Влияние химических реакций учитывали с помощью парциальных коэффициентов перехода: К^' — доля массы компонента 7 металлической части шихты (покрытия электрода), С- окисляемой газом; К2 — доля массы компонента 7 металла оболочки (сердечника), окисляемой газом; К —доля массы оксида компонента неметаллической части шихты (покрытия), переходящей в металл в результате реакций восстановления на стадии капли.

Результаты исследования. По зависимостям выполнен расчет для электродов 10 марок с различным типом покрытия (данные для расчета принимали из ГОСТов или ТУ на электроды). Для электродов ряда марок имелись данные химического анализа наплавленного металла (экспериментальные), по которым производили расчет, что позволило сопоставить расчетные и экспериментальные данные.

Видно, что расхождение между расчетными и экспериментальными данными составляет в среднем 15%. Таким образом, для оценки парциальных коэффициентов перехода, в соответствии с предварительными расчетами по уравнениям, необходимо точное знание массы сварочной ванны и образовавшегося шлака.

Вывод

Предложенная методика позволяет оценивать расчетным и экспериментальным путем усредненные коэффициенты перехода элементов при сварке покрытыми электродами и порошковой проволокой.