авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< 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 |
-- [ Страница 1 ] --

СБОРНИК ДОКЛАДОВ

научно-практическая конференция

в рамках

ХLI Ломоносовских чтений,

посвященных 1150-летию зарождения

российской государственности

«Родина Ломоносова в истории российской государственности»

Северодвинск

2013

УДК 629.12.002 (043)

ББК 65.9. (2Р – 4 Арх)

Л. 75

Родина Ломоносова в истории российской государственности /1150-летию зарождения российской государственности./ Секция «Кораблестроительное и сварочное производство» / XLI Ломоносовские чтения в Северодвинске. Сборник докладов. федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова» филиал в г. Северодвинске Архангельской области институт судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз). Северодвинское отделение Ломоносовского фонда. 2013.-160 с. Электронный ресурс Научные редакторы: доктор тех. наук, проф. В.И. Малыгин, канд. тех. наук, доцент Ю.Ю. Щусь, доцент В.М. Попов, председатель правления Северодвинского отделения Ломоносовского фонда Составители: Ю.Ю. Шванева, Н.И. Черенков – филиал САФУ в г. Северодвинске, институт судостроения и морской арктической техники Публикуется по решению оргкомитета научно-практической конференции, проведенной 6-7 ноября 2012 г. в филиале САФУ в г. Северодвинске Сборник составлен из материалов (докладов) участников научно-практической конференции, проведенной 7 ноября 2012 г. в институте судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз) филиала САФУ в г. Северодвинске по программе ХLI Ломоносовских чтений, «Родина Ломоносова в истории российской государственности». В сборник включены доклады представителей ряда научных организаций, принявших участие в работе секции «Кораблестроительное и сварочное производство». В издании также представлены не публиковавшиеся ранее материалы XL Ломоносовских чтений в Северодвинске, проходивших на базе филиала Севмашвтуз СПбГМТУ в 2011 г.

УДК 629.12.002 (043) ББК 65.9. (2Р – 4 Арх) Л. © филиал САФУ в г. Северодвинске Архангельской области ИСМАРТ Северодвинское отделение © Ломоносовского фонда. 2013 г.

ФОРМАТ КОНФЕРЕНЦИИ:

Научно — практическая конференция Основные темы конференции o Кораблестроительное и сварочное производство o Технологии обработки материалов и системы автоматизированного проектирования o Электрооборудование и системы автоматики o Океанотехника и энергетические установки o Физика колебании н волн o Зашита окружающей среды и радиационная безопасность o Проектирование н строительство промышленных н граждански сооружении o Социальное развитие региона: проблемы, инновации, пути решения o Информационные технологии и системы в экономике и управлении o Физическая культура и спорт ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ КОНФЕРЕНЦИИ д.



т.н., профессор, зам. директора Председатель В.И. Малыгин по НР Севмашвтуза оргкомитета В.Е. Гальперин к.т.н., профессор, директор Севмшвтуза член оргкомитета председатель Северодвинского Сопредседатель В.М. Попов отделения Ломоносовского фонда оргкомитета зам. председателя Л.В. Кремлева д.т.н., доцент Севмашвтуза оргкомитета Сопредседатель О.Н. Руссова к.ф.н., доцент, зав. кафедрой № 1 Севмашвтуза оргкомитета к.т.н., профессор, зам. директора В.Е. Гальперин член оргкомитета по УР Севмашвтуза к.т.н., профессор, декан I Г.М. Рижинашвили член оргкомитета факультета Севмашвтуза к.э.н., доцент, декан II Н.В. Никулина член оргкомитета факультета Севмшвтуза д.т.н., профессор, декан III А.И. Черевко член оргкомитета факультета Севмашвтуза к.п.н., доцент, декан IV Е.А. Кошкина член оргкомитета факультета Севмашвтуза к.п.н., доцент, декан V Т.А. Минеева член оргкомитета факультета Севмашвтуза Г.П. Монастырских д.с.н., профессор каф. № 1 Севмашвтуза член оргкомитета Н.А. Пестов к.т.н., доцент, зав. кафедрой № 4 Севмашвтуза член оргкомитета Ю.Ю. Шванева к.т.н., доцент, зав. кафедрой №5 Севмашвтуза член оргкомитета А.И. Лычаков к.т.н., профессор, зав. кафедрой №7 Севмашвтуза член оргкомитета Е.М. Аин к.т.н., профессор, зав. кафедрой №9 Севмашвтуза член оргкомитета В.Н. Олин к.п.н., профессор, зав. кафедрой №13 член оргкомитета Севмашвтуза А.А. Бутин к.э.н, доцент, зав.кафедрой №19 Севмашвтуза член оргкомитета О.В. Кузнецова к.э.н., доцент кафедры № 19 Севмашвтуза член оргкомитета А.В. Федотов зам. директора по ИТиХВ Севмшвтуза член оргкомитета А.М. Ножнин начальник ИВЦ Севмашвтуза член оргкомитета Г.В. Гунин ведущий инженер по защите информации член оргкомитета Севмашвтуза В.Т. Харитоненко к.т.н., заведующий НИС Севмашвтуза член оргкомитета секретарь М.Н. Надворская ведущий инженер НИС Севмашвтуза оргкомитета СОДЕРЖАНИЕ ГИДРОКСИДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В ПОКРЫТИЯХ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ И.В. Горынин, академик РАН, В.А. Малышевский, д.т.н., Ю.Д. Брусницын, к.т.н., ФГУП ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей", г.Санкт-Петербург, В.Т.

Калинников, академик РАН, А.И. Николаев, член-кор. РАН, ФГУП ИХТРЭМС КНЦ РАН - Институт Химии КНЦ РАН, г. Апатиты, Ю.В. Авакумов, инж., А.Н. Быков, инж., ОАО «ПО «Севмаш», г. Северодвинск ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ РЕБЕР ЖЕСТКОСТИ ИЗ ТЯЖЕЛОГО КАТАНОГО ПРОФИЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЧ В.И. Попов, В.Ю. Шуньгин, ОАО «ЦТСС», Санкт-Петербург К ВОПРОСУ О НЕОДНОРОДНОСТИ ПОКРЫТИЙ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ Ю.Ю. Шванёва, В.В. Бублинова, филиал САФУ в г. Северодвинске, В.В. Мансуров, В.В. Богданов, ОАО «ПО «Севмаш», г. Северодвинск МЕТОД ОБРАТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ В.А. Кархин, А.М. Левченко, П.Н. Хомич, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, г. Санкт-Петербург ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ДИФФУЗИОННОГО ВОДОРОДА В НАПЛАВЛЕННМ МЕТАЛЛЕ ПРИ «МОКРОЙ» ПОДВОДНОЙ СВАРКЕ В.О. Муктепавел, доцент, В.И. Ларина, студентка, филиал САФУ в г. Северодвинск»





ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ АТТЕСТАЦИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В ПРОЦЕССЕ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРОВ СВАРЩИКОВ В.В. Сычев, ОАО “ПО ”Севмаш” СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУДОСТРОИТЕЛЬНОЙ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ САПР В КОМПЛЕКСНОЙ ПОДГОТОВКЕ СУДОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА (НА ПРИМЕРЕ TRIBON – CATIA) О.В. Казакевич, ОАО «ЦС «Звездочка»

ИНТЕРМОДАЛЬНЫЕ ПЕРЕВОЗКИ И МИРОВОЙ КОНТЕЙНЕРНЫЙ ФЛОТ: ДИНАМИКА И СТРУКТУРА Н.И.Черенков, С.А. Русановский, филиал САФУ в г. Северодвинск»

РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ АТТЕСТАЦИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В СЕВЕРО-ЗАПАДНОМ РЕГИОНЕ А.М. Левченко, к.т.н, ООО «РСЗ МАЦ» НАКС, г.Санкт-Петербург СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРОЧНЫХ ФЛЮСОВ МАРОК 48-ОФ-6 и АН-26С В.О. Муктепавел, доцент, филиал СПбГМТУ «Севмашвтуз», г. Северодвинск, О.Е.

Шайкин, инженер, ООО «ПО «Севмаш», г. Северодвинск КОНТЕЙНЕРНЫЙ ФЛОТ И КОНТЕЙНЕРНЫЕ ПЕРЕВОЗКИ В РОССИИ Н.И. Черенков, С.А. Русановский, филиал «Севмашвтуз» ГОУ ВПО «СПбГМТУ, г.

Северодвинск»

СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ САПР И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ. (В порядке обсуждения) Н. И. Черенков, С.А Русановский., филиал «Севмашвтуз» ГОУВПО «СПбГМТУ», О.

И. Казакевич, ОАО «ЦС«Звездочка» ПРИМЕНЕНИЕ В ОАО «ПО «СЕВМАШ» ТЕХНОЛОГИЙ СВАРКИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ МОРСКИХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕРНИЗИРУЕМОЙ УСТАНОВКИ С КОНТРОЛИРУЕМОЙ ИНЕРТНОЙ СРЕДОЙ «АТМОСФЕРА-2»

Е. А. Бурменский, ОАО «ПО «Севмаш», инженер ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННО–ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ В ОАО «ПО «СЕВМАШ». СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННО–ЛУЧЕВЫХ УСТАНОВОК В. В. Кабин, ОАО «ПО «СЕВМАШ», инженер–технолог СОЗДАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА В ПОТОКЕ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ В.А. Стенин, д.т.н., Е.Г.Лебедева, аспирант, Севмашвтуз, филиал СПбГМТУ, в г.

Северодвинске ТЕХНОЛОГИЯ ХОЛОДНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОСНОВНОГО КОРПУСА ПОДВОДНЫХ КОРАБЛЕЙ О.С. Куклин, В.М. Левшаков, В.Ю. Шуньгин, В.И. Попов, ОАО «ЦТСС», г. Санкт Петербург О ПОДХОДАХ К УЛУЧШЕНИЮ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НА «ПО «СЕВМАШ»

В.А. Малышевский, д.т.н., Ю.Д. Брусницын, к.т.н., ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», г.

Санкт-Петербург, Ю.В Аввакумов. инж., А.Н. Быков инж., ОАО «ПО «Севмаш» г.

Северодвинск УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕНОСОМ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА В СОВРЕМЕННОМ МИКРОПРОЦЕССОРНОМ СВАРОЧНОМ ОБОРУДОВАНИИ В.В. Мурзин, зав. каф., В.П. Дмитриенко, доцент, В.Р. Евсеев, зав. лаб., В.М. Карпов, асс.., СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА СВАРКИ НА СОДЕРЖАНИЕ ДИФФУЗИОННОГО ВОДОРОДА В НАПЛАВЛЕННОМ МЕТАЛЛЕ.

О.В. Панченко, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, г. Санкт-Петербург РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСОМ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ДИСКРЕТНОГО ВЕЙВЛЕТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ Ю.Ю. Щусь, к.т.н.,, филиал Севмашвтуз СПбГМТУ, г. Северодвинск, В.В. Мансуров, инж.. В.В. Богданов В.В., инж., ОАО «ПО «Севмаш», г. Северодвинск ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЗАМЕНЫ МАТЕРИАЛА НАДСТРОЙКИ Т/Х «АЛУШТА»

А.А. Гуляев, ст. преподаватель, филиал Севмашвтуз СПбГМТУ, г. Северодвинск ГИДРОКСИДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В ПОКРЫТИЯХ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ И.В. Горынин, академик РАН, В.А. Малышевский, д.т.н., Ю.Д. Брусницын, к.т.н., ФГУП ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей", г.Санкт-Петербург, В.Т. Калинников, академик РАН, А.И. Николаев, член-кор. РАН, ФГУП ИХТРЭМС КНЦ РАН - Институт Химии КНЦ РАН, г. Апатиты, Ю.В. Авакумов, инж., А.Н.

Быков, инж., ОАО «ПО «Севмаш», г. Северодвинск В докладе рассматриваются технологические аспекты повышения потребительских свойств сварочных электродов за счет предупреждения развития в обмазочных массах процессов образования гидроксидных соединений и совершенствования на этой основе всего технологического процесса производства продукции для сварки конструкционных сталей Введение Вопросы надежности и ресурса работоспособности конструкций из высокопрочных и хладостойких сталей во многом связаны с водородной хрупкостью металла сварных швов, выполняемых ручной дуговой сваркой покрытыми электродами или автоматической сваркой под агломерированным флюсом, в начальной стадии, производства которых в качестве связующего применяется жидкое стекло – водный раствор щелочных силикатов.

По существу жидкое стекло является единственным компонентом – источником водорода, участвующего в процессе образования металла сварных швов. До этого момента цепочка технологических операций от выбора и подготовки компонентов, не исключая жидкого стекла, неоднократно изменяет состояние и структурные формы присутствия водорода в обмазочных массах, в покрытиях электродов, в шлаковых расплавах и в кристаллизующемся наплавляемом металле. Технология производства электродов и флюсов далеко не всегда учитывает эти изменения.

В результате – «нестабильность качества» в последние годы остается основной характеристикой потребительских свойств сварочных электродов российских предприятий [1, 2].

Состояние проблемы. Комментарии «Есть гидроксидные соединения в покрытиях электродов или нет?» вопрос, положительный ответ на который в сварочной литературе [3-11] дается признанием щелочного характера взаимодействия жидкого стекла с порошками металлов и ферросплавов, т.е. гидролиза с образованием гидроксидов, выделением водорода и тепла. Но, тем не менее, продукты гидролиза не учитываются в качестве источника водорода при рассмотрении проблемы водородной хрупкости металла сварных швов конструкционных сталей.

Взаимодействие жидкого стекла с неметаллическими компонентами подразумевается, но никакой значимости этому процессу не придается.

Продукты щелочного гидролиза не рассматриваются в качестве инициаторов пористости сварных швов. Значит в покрытии электродов к моменту сварки гидроксидных соединений нет? При этом не отрицается наличие в покрытии кристаллизационной (связанной воды).

Такая неопределенность в этом вопросе, по нашему мнению, лишает производителей возможности управления технологическими процессами.

Литература по растворимому и жидкому стеклу [4, 5 12, 13], по химии цементов [14, 15], по получению адсорбентов и композиционных защитных покрытий методами «золь-гель технологий» [16-21] свидетельствует об общих закономерностях, пригодных и для понимания процессов, определяющих качество сварочных материалов:

- Взаимодействие начинается немедленно после подачи в сухую смесь компонентов жидкого стекла и идет при нормальных температурах с выделением тепла (щелочной гидролиз порошков ферросплавов, металлов, мрамора и оксидов). При этом в первую очередь, как и в последующих операциях, образуются гидроксидные соединения;

- Зародыши силикатов и гидросиликатов в щелочных растворах не образуются. Они появляются только в осажденных гелях или в осадках в период выдерживания при комнатной температуре, при старении, а также при повышении температуры.

- Начало кристаллизации зародышей в композиционных покрытиях наблюдается при температурах в интервале 150-200 С. Гели и осадки при этих температурах остаются рентгенноаморфными. Дальнейшее повышение температуры до 500 С способствует росту кристаллов гидросиликатов. При этом придается значение наличию в смесях, осадках и частицах геля жидкой фазы, а также гидроксидов в качестве строительного материала [16-19]. В условиях нормальных температур эти процессы идут очень медленно [13-14]. С удалением жидкой фазы начинаются реакции в твердом состоянии. В них участвуют гидроксидные соединения, а также, сухой остаток жидкого стекла [22]. При температурах 600-700 С равновесие сдвигается в сторону безводных фаз [15].

Недостаток времени, температуры, отсутствие соответствия состава шихтовой смеси, необходимых для образования совершенной кристаллической структуры гидросиликатов (оксо-гидроксокомплексов кальция, алюминия, титана, ванадия, хрома, молибдена) как будто бы делает проблематичным их образование в технологических процессах производства сварочных электродов.

Сопоставление результатов исследовательских испытаний в условиях предприятий ОАО «Ижорские заводы» и ОАО «ПО «Севмаш» (2002-2010 гг.) с общими закономерностями поведения жидкостекольных композиционных смесей позволили представить визуальную модель образования гидратированных соединений в обмазочных массах и покрытиях электродов фтористо-кальциевого типа (рис.1) О гидроксидах и оксигидроксидах разных мнений, очевидно, быть не может: щелочной гидролиз охватывает как металлы и их оксидную защиту, так и минеральные компоненты. Гидроксидные соединения образуются практически немедленно после контакта с минеральными компонентами и на всех последующих операциях, включая технологическую прокалку и прокалку перед сваркой. Увлажнение покрытия в период хранения электродов способствует продолжению образования гидроксидов и гидросиликатов. При длительном хранении гигроскопическая влага электродных покрытий может взаимодействовать с сухим остатком жидкого стекла с образованием гидросиликатов, превращая гигроскопическую воду в кристаллизационную форму [6]. Таким образом, гидроксидные соединения и гидросиликатные продукты получают возможность реально участвовать в сварочных процессах.

Рис. 1 Визуальная модель образования гидроксидов. а) традиционные рецептуры УОНИИ-13;

б) - рецептуры с минеральными сплавами (ожидаемое состояние) По-видимому, нестабильность потребительских свойств современных электродов преимущественно связана с выбором сырья, условиями выполнения технологических операций, температурой, временным фактором, случайным изменением параметров жидкого стекла и другими сопутствующими явлениями, так или иначе оказывающими влияние на образование гидроксидов, оксогидроксидов, а также структур близких к структурным формам оксо гидроксокомплексов различных металлов, содержащих не только кристаллизационную воду, но и ионы гидроксила.

При расплавлении покрытия неизбежно в расплав попадают ионы гидроксила и катионы. В расплавленном шлаке может сохраняться ближний порядок расплавленных соединений покрытия. Не исключено, что ионы гидроксила будут захватываться более энергетически сильными катионами «ловушками», которые, оставаясь в неметаллических включениях, придают им адгезионные способности, позволяющие удерживаться на границах кристаллов, образуя тем самым локальные очаги ослабления за счет зарождения микротрещин при тепловых деформациях металла шва.

. Для оценки возможного образования таких включений целесообразно использовать значения силовой характеристики катионов раскисляющих и легирующих металлов [23], (рис. 2.): чем больше значение силовой характеристики катионов, тем сильнее катионы удерживают гидроксильные группы. Это и есть «ловушки» с аккумулированным водородом в виде гидроксила. Они могут представлять реальную опасность для разрушения конструкций [8]. «Выпады» результатов испытаний наплавленного металла при отрицательных температурах также можно считать прямым следствием появления «ловушек».

Рис. 2. Силы связи внешних электронов с ядром () – отношение о n+ потенциала ионизации (J, эв) к радиусу внешней орбитали rорб, А) размерность e2/r2 [23], Экспериментальная часть Методические проработки. По существу, это исследовательские испытания в промышленных условиях традиционных технологий электродного производства с позиций новых подходов, в основе которых «исключение условий, способствующих взаимодействию жидкого стекла с компонентами электродных покрытий и негативному влиянию последствий химических реакций в обмазочных массах на потребительские свойства сварочных материалов».

Методика выполнения экспериментов ориентирована на выявление деталей технологических операций, отражающихся на сварочно технологических свойствах электродов и на механических свойствах наплавленного металла, в том числе, на работу удара KV Дж при отрицательных температурах (-20-60 С).

Расчеты рецептур электродных покрытий и минеральных сплавов производились с использованием расчетной компьютерной программы и диаграмм фазовых равновесий неметаллических систем, в основе, которой постоянство состава расплавленного покрытия (шлака) [24] Результаты испытаний, обсуждение, подходы Минеральные сплавы позволяют вводить в покрытия сварочных электродов компоненты, природные и техногенные аналоги которых обладают высокой химической активностью к водным растворам щелочных силикатов (глинозем, нефелин, сынныриты, фториды, оксиды, а также многие другие виды минерального сырья).

Функциональное назначение минеральных сплавов, подходы:

- обеспечить наиболее полное предотвращение взаимодействия жидкого стекла с компонентами сухой шихты;

- способствовать легкому образованию жидкой фазы при расплавлении покрытия, обеспечивая при этом одновременную ассимиляцию расплавом зерен компонентов по всей толщине покрытия, идущей преимущественно за счет контактного плавления [25];

- обладать свойствами рафинирующих шлаковых расплавов.

Следует констатировать, что плавленые миналы - минеральные сплавы, они же комплексные компоненты электродных покрытий проявили себя в качестве идеального средства предотвращения взаимодействия компонентов с жидким стеклом.

Новыми компонентами минеральных сплавов наряду с традиционными были нефелиновые и сфеновые концентраты, природно-легированное минеральное сырье, содержащее как основные элементы покрытия – оксиды калия, натрия, кальция, алюминия, титана, так и примеси оксидов рубидия, цезия, галлия, РЗМ, ниобия и тантала [26].

В таблицах 1, 2, и 3 представлены результаты испытаний опытных и опытно-штатных партий для рассмотрения их с позиций влияния технологических факторов на развитие химических реакций в обмазочных массах..

Таблица № Результаты испытаний наплавленного металла установочных партий электродов с покрытием композиций на основе алюмосиликатов кальция с диоксидом титана, проволока Св-08АА 4 мм. ОАО «ПО «Севмаш» 2008-2009гг Установление влияния технологических факторов Длина Технологические Покрытие Содержание в валика от факторы Расчетное содержание, % наплавленном металле, Результаты испытаний на Результаты испытаний Длительность замеса / 1 эл-да Вариант % растяжение, Тисп. +20°С на ударный изгиб Номер Lв,мм.

до опресссовки, мин покрытия партии Порядок введения Сумма, % Минала Дата Ток ж.стекла, % к массе KV, Дж изготовления N сварки, А O Si, Mn Номер в, 0.2, Неф К2О сухой шихты. Доля,,, при температуре,С сварщик плавки Давление опрессовки МПа МПа % % % Na2O Сфен -20 -30 -40 - кгс/см 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 108 98 Т1(Т1-3)- Типовая технология 250-270** 8 / 45 01.02.08 155 9.9 132 96 6.8 0, 0. 0. 180 0.31 1. 157 0,4 560 485 31 Р-245-235 94 52 4.5 5.0 Селяков 158 14,9 111 82 Т1(Т1-3)- 10 / 30 03.02.09 156 15.0 19 20 116 108 90 0. 0. 350** 15+2+1, 24% 158-1 11.0 620 550(?) 132 108 85 7.0 1, 1311 0.29 1.44 дефект Родионов Al2O3 5, Р-235 и менее 116 94 102 4.0 5, TiO2 5,3 121 103 92 Т1(Т1-3)-0 ал. Максимальное содержание Al2O3 15..12.08 156 16.0 114 112 106 макс (нефелина) 20/40 157 12.0 250-270 110 105 114 12* 11.8 1. 0. 0. 14+3+2, 25% 1303 158 10,3 170** 0.28 1.31 530 415 33 71 136 94 90 4.3 6. Al2O3 12.6 540 450 31 Чепик Р=215-158 120 104 102 TiO2 7, 1300 132 129 129 Т1(Т1-3)- +Оксиды железа 15.12.08 156 250-270 128 131 123 0, 20/55 0, 5. 157 170** 0,21 1.14 510 440 31 1.3 110 48 138 17,5+ 0,5, 23,7% 158-1 Чепик 4.2 5.4 123 103 130 4, Р=230- Fe2O Т1(Т1-3)-0Б Повышение т-ры 15.12.08 25* 52 61 4* 250 - плавления покрытия 0, 156 11,2 0.26 0,90 500 430 32 72 112 106 38* 7* 0, 7.2 3. 53/73 170** 245 10,0 93 69 60 6* 13+3+2+1+1+1+1+1, 30% Чепик 6.3 4. 322-1 9 77 76 53 5, Р=134- Т1(Т1-3)-0Б Повышение т-ры 03.02.09 156 9.9 84 86 96 34* плавления покрытия 5.8 3.2 0. 0. 0.26 0. 15+2+1+0,5, 24,7 % 322-1 5.7 530 440 30 70 94 88 64 40* 170** 13221 5.5 5.2 018 0. 158-1 12 540 450 30 Р=156 104 120 90 45* Ленин 94 98 83 * выпады ** сварка на подъем Таблица № Результаты испытаний наплавленного металла опытно-штатных партий сварочных электродов типа УОНИИ 13/55Р на сварочной проволоке Св-08АА 4 мм. ОАО «ПО «Севмаш» 2008-2010гг Установление влияния технологических факторов Время, Покрытие Длина Содержание в Результаты испытаний мин Расчетное содержание, % валика от 1 наплавленном Результаты испытаний на на ударный изгиб эл-да Lв,мм металле % растяжение, Тисп. +20°С до опресссовки Вариант Номер Сумма, % Минала KV, Дж Технологические Ток покрытия партии замеса Номе при температуре,С факторы сварки, Дата изготовления Si Mn р в, 0.2, Неф К2О А Доля,,, плавк сварщик % % % МПа МПа Na2O Сфен -20 -30 -40 - и 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 155 13,6 112 118 мин мин Обычное ж.стекло Т1(Т1-3)-2(-5) 25% 30.04.08 158 17,1 126 108 30* 6.8 0.9 370-390** 0.51 20 С TiO2 5,3 650 580 18,5 65 114 118 130 155 1.60- 1, 5.1 5,3 0, Al2O3 6,9 Цивилев 117 115 51/ 155 10.6 макс В/м. ж. ст.31%, Т1(Т1-3)-2(-5) 31 С 30.04.08 158 16.3 630 530 27 72 60 54 - 28* 7.4 3.6 370-390** 322-1 10.9 52 56 38* Карбамид 135 155 0.49 1. 6.3 4, TiO2 5. Р=115-78 66 54 26* Цивилев Al2O3 6.7 59 55 Al2O3 110 36* 40* 38* Т1(Т1-3)- ж.ст. 23,7 % 156 540 470 25,9 63 32* 72 48 10* Опытно- 15.4 8.6 0. бегунковый 158 10.0 6 530 460 29.0 Ленин штатная партия 86 96 38* 14* 33 63 0.19 0. смеситель 16.03.10 TiO2 8.9 сварка по 3.0 4.7 76 68 42- Al2O3 9.1 шлаку (?) Р=190- 540 435 23.5 71 36* 63 17* 14* Повторные Т1(Т1-3)-2 156 15.4 530 465 25.0 70 70 28* 55* 7* испытания п.33 8.6 0. 158 10.0 Ленин (331) - - - 82 77 26* 8* TiO2 8.9 сварка по 3.0 4. Al2O3 9.1 шлаку (?) 63 56 33 Al2O3 128 100 Т1(Т1-3)- 156 8, ж. ст. 22.7% 17.03.10 510 450 26 73 132 114 0. 158 14,0 160**(?) бегунковый 3 23 530 465 27 Опытно- 7.9 124 100 32 0.25 0. TiO2 10,0 Ленин 4. смеситель штатная партия 3.0 128 105 Al2O3 8, Р=190-150 Al-Si-Ca 30.04.10 146 мин мин Алюмосиликатная композиция с CaO 156 13,1 520 430 28,0 71 152 Опытно- 6.0 0. ТО-2 170** 0.20 1, Al2O3 5,4 510 420 27,0 Норм. условия штатная партия 174 Плешков 0.0 4. 520 420 24,0 72 154 137 114 Алюмосиликатная Опытно композиция с CaO 54 15,3 122 127 штатная партия 0. 165** 10.11.06 337 Al2O3 29,7 3 20 0,35 0,97 500 380 32 Норм. условия;

ж/с 134 108 0.0 Большаков NaK Ижорский завод 131 116 Св08-А, разд Б 0,18 Требования НТД 0,45 0,8 -1,2 490 37 22 *выпады ** сварка на подъем Таблица Результаты испытаний наплавленного металла опытных электродов с миналами в покрытии, ОАО «ПО «Севмаш», 2004-2006гг, проволока Св-08АА, 4 мм, ОАО «Ижорские заводы» - проволока СВ-08А, 4 мм Покрытие Характеристика наплавленного металла Mn, Si, Временное Предел Относи- Относи- Работа удара KV, Дж, Минал Доля, % % № рецеп сопротивлени текучести, 0,2 тельное тельное Al2O3 % при Тисп туры е, МПа удлинение, сужение, -20°С -40°С -60°С 5, %,% в, МПа AС1-01 1,23 0,44 573 463 29 77 124 (42)* АС 05.2004 г. 11,0 100 (43)* пл. AlO3 5,9 64 п.5. 96 ж.с.

Ижорский Na-K завод 1.07 0.42 140 128 АС АС1- 07.2006 г 10,8 559 451 30 62 100 136 пл. Al2O3 6,2 130 130 123 131 19,5 1.08 0.46 90 104 (24)* ОФ- АС 07.2006 г Al2O3 5,0 138 140 CaF2 17,3 559 451 32 72 140 96 123 122 59/ 37,1 1.25 0.57 110 104 (29)* ОФ- АС1- 07.2006 г Al2O3 9,0 114 126 CaF2 34,7 598 520 27.0 70 152 106 125 112 69/ 1.43 0.45 104 120 102 АС1Ф АС-1- 10.2004 г 14,6 564 463 33 73 - 88 104 76 пл. Al2O3 5,0 124 104 70 CaF2 14,0 106 * выпады 2004 г. – сварка в горизонтальном положении 2006 г. – сварка на подъем Обсуждение, подходы.

1. Жидкое стекло. Традиционное Na - жидкое стекло ОАО «ПО «Севмаш»

отличается высокой плотностью и повышенной вязкостью. Применение его в 60-80 годы прошлого столетия не могло способствовать проявлениям хрупкости». Всеобщее стремление к использованию в «водородной производстве сварочных электродов жидкого стекла пониженной плотности и вязкости привело на ПО «Севмаш» к применению разбавленных смешиванием «растворов». При использовании для получения жидкого стекла воды горячего водоснабжения отчетливо проявилась его повышенная химическая активность практически во всех технологических процессах производства опытных электродов. Представленные в таблицах 1-3 материалы исследовательских испытаний при температуре -60о С в редких случаях не имеют «выпадов» по работе удара (KV Дж). И это несмотря на использованные в покрытиях «минеральных сплавов» в количестве от 10 до 40 % (табл. 1: 1302 и 13221, табл. 2: 135 и 130;

33 и 32;

табл. 3: АС1-01 2004 2006 гг.).

2. Интенсивный смеситель. Наличие звездочки с рабочей поверхностью из твердых сплавов и повышенной скоростью вращения (240 об/мин.) способствует развитию реакций, разрушая пленки из ее продуктов.

3. «Сварка короткими валиками», «сварка по шлаку», «сварка в вертикальном и потолочном положении» усиливает все негативные процессы, растет содержание диффузионно- подвижного водорода и количество «ловушек», остающихся в наплавленном металле, снижается общий уровень результатов испытаний, увеличивается количество «выпадов». Выпады появляются не только при температуре -60 С, но и при температурах -40, -20 С (табл. 2-п.33, 331).

Сварка на подъем 3-5о (см. табл. 1) с увеличением длины наплавленных валиков от 1 электрода до 250-270 мм может исключить неблагоприятное влияние шлакового расплава, как источника ионов гидроксила, но по видимому, до некоторого пока неизвестного предела.

В представленной работе этот предел наверняка зашкаливался:

активность мрамора Коелги, плавикового шпата, жидкого стекла, ферросилиция (примеси Ca и Al), ферромарганца (карбиды) оценивалась как высокая.

4. В работе установлено, что повышение в покрытии электродов оксида калия выше 2,5% нежелательно, поскольку при содержании его в пределе 3,2-4,6% намечается тенденция к ухудшению результатов испытаний.

5. Повышение содержания оксида алюминия, скорее всего не отразилось на результатах испытаний (таблица 1, партия 1303, таблица 2, партия 32, 337.

Это должно означать, что оксиды алюминия, как и других металлов, работают, создавая комплексный шлаковый расплав с определенными физическими свойствами, но не придают шлаку свойства адгезива. Последнее присуще только гидрооксидным соединениям и оксо-гидроксокомплексным структурам.

6. Присутствие карбидов в обмазочных массах, в том числе и в плавленых миналах не является непредвиденным исключением. В этом плане введение небольшого количества оксидов железа (III) (табл. 1, п. 1300) почти всегда может быть полезным.

Понимание процессов в обмазочных массах и их последствий требует выработки новых подходов по всей цепочке «разработка, изготовление, и применение сварочных электродов, не исключая их специализации по назначению «для сварки в горизонтальном положении», «для сварки в потолочном положении» «для сварки в вертикальном положении».

К экономическому аспекту проблемы. Главное и непререкаемое возражение использование электродуговых – «дорогостоящее флюсоплавильных печей». Что это: отход от природного сырья? В рецептурах только мрамор и кварцевый песок. Все остальные компоненты-концентраты гравитационного, флотационного, химического, электромагнитного обогащения, а для корунда использование металлургического оборудования.

Положительный фактор – увеличение надежности и ресурса работоспособности конструкций, работающих в северных условиях, сварные швы которых выполнены сварочными материалами (электроды, агломерированные флюсы), изготовленными по технологиям, учитывающим необходимость «исключения условий, способствующих к образованию гидроксидных соединений в обмазочных и флюсовых массах»).

При выполнении сварочных работ должна быть исключена «Сварка по шлаку» с целью предупреждения образования опасных «ловушек» гидроксила в виде неметаллических включений по границам кристаллов в металле сварных швов.

Заключение Представленные материалы в докладе, а также работа в целом, выполненная на ОАО «ПО «Севмаш», позволяет констатировать следующее.

1. Использование минеральных сплавов в составе покрытий электродов типа УОНИ-13 значительно сокращает образование гидроксидных соединений в обмазочных массах, что прежде всего отражается на степени окисленности поверхности наплавленных валиков, способствует предупреждению пористости даже при исключении ферротитана из состава покрытия, повышает работу удара при отрицательных температурах (до 90 130 Дж при -40оС и 75-80 Дж – 60оС).

Для опытных электродов с пределом текучести наплавленного металла 485-520 МПа - позволяет на отдельных партиях получить значение работы удара в пределах 90-130 Дж при температуре испытаний -40оС и 60-75 Дж при – 60оС (при отсутствии «выпадов» менее 50 Дж).

2. Установлена четкая связь результатов испытаний КV Дж при –60оС температуре с фактическими параметрами выполняемых технологических операций, с химической активностью компонентов (мрамор, плавиковый шпат и др.) с содержанием примесей кальция и алюминия в ферросплавах, с химической активностью жидкого стекла - водного раствора щелочных силикатов. Взаимодействие последнего с компонентами неизбежно: щелочная деструкция компонентов с образованием гидроксидов и оксигидроксидов начинается с момента контакта и с коротким инкубационным периодом продолжается до полного израсходования или удаления жидкой фазы.

3. «Выпады» в результате испытаний тесно связаны с неметаллическими включениями, располагающимися по границам зерен. Опасными являются включения, имеющие в своих составах катионы (Аl3+, В3+, Zr4, Тi4+, Nb5+, V5+, Mo6+, Cr6+, Mn4+), обладающие высоким значениям силовой характеристики, с захваченными из шлакового расплава ионами гидроксила (ОН)-. Фактические значения «выпадов» могут отличаться от максимального или среднего значения результатов испытаний на 30-80 %, что свидетельствует о «неслучайном» их появлении в наплавленном металле. Более того, известно, что такие включения способны инициировать микротрещины («флокены»), которые при деформации от ударной нагрузки определяют значение «выпада».

4. Установлена четкая связь появления «выпадов» в результате испытаний наплавленного металла при температуре -60оС с технологией, техникой и условиями сварки проб для испытаний свойств наплавленного металла: «сварка по шлаку», «сварка на спуск», «сварка короткими и широкими валиками», «сварка в вертикальном и потолочном положении» способствуют образованию упомянутых неметаллических включений.

В итоге следует подчеркнуть, что проблемы образования гидроксидных соединений в обмазочных массах связаны с проблемой надежности и работоспособности сварных конструкций, имеют прямое отношение к продукции электродно-флюсового производства всех российских предприятий, а также к предприятиям-потребителям сварочных электродов и агломерированных флюсов.

ЛИТЕРАТУРА 1. Сидлин З.А., К вопросу о качестве современных отечественных электродов для ручной дуговой сварки.// Технология машиностроения-2008-№1-с.35- 2. Сидлин З.А., Состояние производства сварочных материалов в России // Автоматическая сварка-2009-№ 2-с.31-34.

3. Клементов В.И. Применение жидкого стекла в покрытиях электродов для дуговой сварки // Институт технико-экономической информации АН СССР Москва-1954 г., 19 с.

4. Григорьев П.Н., Матвеев М.А., Растворимое стекло // М., Госстройиздат, 1956, 444 с.

5. Сидлин З.А., Производство электродов для ручной дуговой сварки // Киев, Экотехнология, 2009, 462 с.

6. Походня И.К., Явдощин И.Р., Пальцевич А.П., Швачко В.И., Котельчук А.С. Металлургия дуговой сварки. Взаимодействие металла с газами;

Под редакцией академика И.К. Походни // Киев, «Наукова думка» 2004, 442с 7. Походня И.К., Управление водородом при сварке // Труды ВОМ-2001, часть 1, Донецк 2001, с. 68- 8. Походня И.К., Швачко В.И., Степанюк С.П. Водородные ловушки в сварных швах //Труды ВОМ-2001, часть II. Донецк 2001, с. 296-298.

9. Походня И.К. Сварочные материалы: состояние и тенденции развития // Сварочное производство -2003-№ 6-с. 26- 10. Походня И.К. Металлургия дуговой сварки конструкционных сталей и сварочные материалы // Сварочное производство – 2009, № 4, с.3- 11. Скорина Н.В., Марченко А.Е., Химическая активность ферросплавов в жидком стекле // Автоматическая сварка – 2006, № 2, с.47- 12. Айлер Р. Химия кремнезема ч.1, ч.2. // М. Мир, 1982, 1127с.

13. Корнеев В.И., Данилов В.В. Жидкое и растворимое стекло // Санкт Петербург, Стройиздат, 1996, 216с 14. Турричиани Р. Вопросы химии пуццоланов // Химия цементов, издательство литературы по строительству, М., 1969, с. 353- 15 Илюхин В.В., Кузнецов В.А. и др., Гидросиликаты кальция;

Под редакцией академик Н.В. Белова, // М., Наука 1979, 184 с.

16. Жданов С.П. Общие закономерности и особенности кинетики кристаллизации цеолитов // Адсорбция и адсорбенты. М. Наука, 1987, с. 222 17. Феоктистова Н.Н., Втюрина Л.М., Влияние аморфных затравок на кинетику кристаллизации цеолита Na-A // Известия академии наук. Серия химическая, 1994, № 3, с. 799- 18. Кузнецова Л.А., Голубева Т.Ю., Хашковский С.В., Композционные материалы и покрытия на основе водных растворов силикатов // Температуроустойчивые функциональные покрытия, часть 1, Санкт-Петербург.

1997, с. 93-98.

19. Кузнецова Л.А., Голубева Т.Ю., Хашковский С.В., Химически стойкие эмали, полученные методом золь-гель технологии // Температуроустойчивые функциональные покрытия, часть 2, Санкт-Петербург 1997, с. 77- 20 Чепик Л.Ф., Мащенко Т.С., Трошина Е.П., Использование золь-гель процессов при формировании толстых эмалеподобных покрытий на металлических поверхностях // Температуроустойчивые функциональные покрытия, часть 1, Санкт-Петербург 1997, с. 110 – 21. Ящишин И.Н., Вахула Я.И., Васийчук В.А., Романив А.С., Формирование температуроустойчивых тонкослойных стеклопокрытий на основе растворимого стекла // Температуроустойчивые функциональные покрытия, часть 2, Санкт-Петербург 1997, с. 73- 22. Николаев А.И., Печенюк С.И, Семушина Ю.П., Семушин В.В., Кузьмин Л.Ф., Рогачев Д.Л., Михайлова Н.Л., Брусницын Ю.Д., Рыбин В.В.

Взаимодействие компонентов электродных покрытий с жидким стеклом при нагревании // Вопросы материаловедения, 2009, № 3(59), с.397- 23. Годовиков А.А. Периодическая система Д.И. Менделеева и силовые характеристики элементов // Новосибирск Наука, 1981, 95 с.

24 Брусницын Ю.Д. Брусницын М. Ю. Компьютерное моделирование сварочных шлаков с использованием диаграмм фазовых равновесий неметаллических систем /Методические рекомендации 2000 41с;

Инструкция пользователя-2001 17 с;

Комплект диаграмм фазовых равновесий к компьютерной программе «Расчет состава сварочных шлаков электродных покрытий и флюсов»-2001 57с/ СПб: ЦНИИ КМ «Прометей»//Свидетельство РосАПО о регистрации программы ЭВМ №960442 от 01.10.1996 г 25. Залкин В.М. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления // М, Металлургия. – 1987, 152 с.

26. Рыбин В.В., Калинников В.Т., Брусницын Ю.Д., Николаев А.И. и др.Высококачественные компоненты сварочных материалов из минерального сырья Кольского полуострова и промышленных отходов // Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья и синтеза на его основе функциональных материалов. Материалы научно-технической конференции.– Апатиты: Изд-во КНЦ РАН-2008 -Т.1-с 22- 27. Баранов А.В., Брусницын Ю.Д., Кащенко Д.А., Боков А.А. Новые технологии в производстве сварочных электродов // Сборник материалов 2-го научно-практического семинара по сварочным материалам стран СНГ «Дуговая сварка. Материалы и качество. Магнитогорск 26-30 сентября 2005, с. 24- 28. Брусницын Ю.Д., Кащенко Д.А., Дикарев В.В. Воронова О.В. и др.

Разработка сварочных электродов с использованием плавленых миналов // Материалы IV Международной конференции стран СНГ «Сварочные материалы. Разработка. Технология. Производство. Качество.

Конкурентоспособность», Краснодар 18-21 июня 2007- с 23- 29. Брусницын Ю.Д., Кащенко Д.А., Малышевский В.А., Рыбин В.В., Шекин С.П., Калинников В.Т., Николаев А.И., Бураков Р.В., Быков А.Н., Захватаев С.В., Москалев И.Д., Харченко И.В., Отработка композиций минеральных сплавов и промышленной технологии их изготовления с использованием минерального сырья Кольского полуострова // Петраньевские чтения.

Сварочные материалы (к 70-летию создания электродов УОНИ-13). Доклады международной научно-технической конференции 18-22 мая 2009 года с. 90 102.

30 Малышевский В.А., Брусницын Ю.Д., Кащенко Д.А., Праслова Е.Г., Калинников В.Т., Николаев А.И., Аввакумов Ю.В., Быков А.Н., Пожидаева Е.Н., Дикарев В.В., Лившиц И.М., Воронова О.В. К концепции формирования потребительских свойств сварочных материалов и эксплуатационных характеристик металла сварных швов хладостойких сталей // 6-ая Международная научно-практическая конференция «Сварочные материалы.

Дуговая сварка. Производство. Качество» г. Краснодар, пос. Агой, 06-10 июня 2011г.

31 Малышевский В.А., Кащенко Д.А., Брусницын Ю.Д., Калинников В.Т., Николаев А.И. К концепции формирования потребительских свойств сварочных материалов и эксплуатационных характеристик металла сварных швов хладостойких сталей // Сборник тезисов XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011, Т 3, с. 259.

32. Малышевский В.А., Брусницын Ю.Д., Аввакумов Ю.В., Быков А.Н. О подходах к улучшению потребительских свойств сварочных электродов на «ПО «Севмаш» // ХL Ломоносовские чтения 9-10 ноября 2011 года, Сб. докладов г Северодвинск. 2012г с. 117- 33 Патент РФ № 2249498 Минеральный сплав для покрытия сварочных электродов и керамических флюсов /Малышевский В.А., Брусницын Ю.Д., Дикарев В.В., Рогов В.С. и др.Приоритет изобретения 17 сентября 2003г., опубликовано 10.04.2005. Бюл. № 34 Патент РФ № 2257987 Электродное покрытие /Малышевский В.А., Брусницын Ю.Д., Дикарев В.В., Рогов В.С. и др. Приоритет изобретения ноября 2003 г Опубликовано 10.08.2005 Бюл. № 35 Патент РФ № 2383419 Электрод для сварки хладостойких низколегированных трубных сталей категории К60, Х70 / Горынин И.В.,.

Малышевский В.А., Брусницын Ю.Д., Кащенко Д.А. и др. Приоритет изобретения 22 июля 2008 г Опубликовано 10.03.2010 Бюл. № 36 Патент РФ № 2387525 Электрод для сварки хладостойких низколегированных трубных сталей категории Х80/ Горынин И.В.,.

Малышевский В.А., Брусницын Ю.Д., Кащенко Д.А. и др. Приоритет изобретения 24 июля 2008 г. Опубликовано 27.04.2010 Бюл. № 37 Патент РФ № 2433027 Покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей /Авакумов Ю.В., Малышевский В.А., Брусницын Ю.Д., Калинников В.Т. и др. Приоритет изобретения 20 апреля 2010 г Опубликовано 10.11.2011 Бюл. № ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ РЕБЕР ЖЕСТКОСТИ ИЗ ТЯЖЕЛОГО КАТАНОГО ПРОФИЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЧ В.И. Попов, В.Ю. Шуньгин, ОАО «ЦТСС», Санкт-Петербург Удельное значение корпусообрабатывающего производства составляет 6 10 % трудоемкости и более 15 % по количеству основных производственных рабочих. Трудоемкость гибки профилей составляет от 10 до 18 % от общей трудоемкости изготовления корпусных деталей. Однако роль и значение корпусообрабатывающего производства определяется не только его удельным весом. Оно определяет организацию ритмичной работы сборочно-сварочных цехов и обеспечивает уменьшение объема пригоночных работ при сборке узлов и секций. Разработка и внедрение прогрессивных ресурсосберегающих технологий изготовления судокорпусных деталей в судостроении является одной из приоритетных задач ОАО «ЦТСС». Цель – снижение трудоемкости и повышение экономической эффективности производства и качества деталей при формообразовании сложнопрофильных деталей.

В настоящее время при изготовлении оболочечных конструкций кораблей и изделий морской техники в качестве подкрепляющих кольцевых ребер жесткости, имеющих форму окружности заданного радиуса, применяют гнутые заготовки с высотой стенки от 60 до 600 мм. Взамен катаных полособульбовых профилей был разработан способ изготовления гнутых заготовок [1] путем вырезки заготовки с криволинейной формой концевых участков и последующей гибкой на ребро и сваркой с гнутой полкой. При этом вырезку заготовок осуществляют совмещенным резом по прямолинейному среднему участку, а криволинейных концевых участков – с одинаковым радиусом кривизны наружного и внутреннего контуров, равным радиусу готового шпангоута. Существующая технология изготовления сварных тавровых балок предусматривает сборку колец из отдельных прямых деталей стенки и согнутого пояска, вырезанных из листового проката в номинальный размер, с последующей сваркой стыков стенки, а также таврового соединения криволинейной стенки и пояска по его периметру. При этом один стык кольцевого ребра остается незаваренным, и его сварку выполняют при монтаже после его обжатия с обечайкой, что значительно повышает трудоемкость изготовления. Кроме того такая технология существенно в 1,3 раза снижает коэффициент использования металла и повышает трудоемкость изготовления в 1,5 раза за счет дополнительных операций правки и доводки. Гибку заготовок из профильного проката и сварных тавровых балок выполняют в холодном и горячем состоянии на горизонтально-гибочных прессах, роликовых кольцегибочных станках и профилегибочных машинах. При отсутствии специального профилегибочного оборудования гибку профильного проката осуществляют на прессах с использованием штампов.

Для уменьшения опытных работ, связанных с определением технологических параметров процессов холодного формообразования, разработана математическая компьютерная модель процесса гибки сварных тавровых балок в штампах и ротационно-локальным деформированием методом конечных элементов. При использовании компьютерного моделирования математическая модель представляет собой матричную запись основных законов механики деформирования твердого тела, описание конечных элементов используемых при дискретизации, способы задания граничных условий, в том числе при контакте и выбор способов численного интегрирования. Результаты моделирования приведены на рисунках 1 и 2.

а б Рис. 1. 3D модели процессов гибки тавровых балок: а - деформирование поперечным изгибом в штампах;

б - деформирование поперечным изгибом в роликах а) б) Рис. 2. Пробная компьютерная модель гибки сварной тавровой балки в штампе:

а – форма сварной тавровой балки после нажима в штампе;

б – распределение деформаций растяжения в согнутой балке Проведенные исследования, включающие определение и анализ нежелательных деформаций и напряжений сечения профиля показали, что наиболее эффективными технологическими приемами являются приложение усилий гибки к стенке и полке профиля пропорционально моментам их сопротивления, а также создание дополнительного горизонтального усилия стеснения стенки, а также позволили рекомендовать оптимальные параметры, что дает возможность предупреждения деформаций и получения точную и качественную деталь за один проход через штамп пресса. Экспериментальная проверка предложенных методов формообразования подтвердила их надежность, а оценка результатов апробации показала высокую эффективность производственного процесса.

С увеличением массогабаритных характеристик поперечных сечений профильного проката появилась необходимость гибки тяжелых профилей и 1979 с высотой стенки до 615 мм. Особенностью данных профилей является высокая тонкая стенка и массивная головка. Прямолинейные заготовки для последующей гибки получают путем резки (раскроя) в соответствии с OCT5P.9091 двутаврового профиля вдоль по стенке на две заготовки необходимой высоты. Перед гибкой на кромке стенки полученного симметричного профиля может быть снята фаска под сварку, т.е. выполнена двусторонняя Х – образная разделка кромки стенки балки. Прямолинейные профильные заготовки подвергают горячей гибке с нагревом токами высокой частоты на профилегибочной установке СКМЗ ТВЧ. На рис. 3 представлена схема гибки ребер жесткости из тяжелых профилей с применением ТВЧ.

Рис. 3. Схема гибки и закалки на установке СКМЗ ТВЧ: 1 – индикатор температуры;

2 – нажимной валок;

3 – изгибаемый профиль;

4 – закаливаемый участок;

5 – вода;

6 – ведущие валки;

7 – индуктор Гибка с нагревом ТВЧ может выполняться с одновременной закалкой профильных заготовок. На профилегибочной установке СКМЗ ТВЧ изгибают, преимущественно, кольцевые ребра жесткости основного корпуса, имеющие постоянный радиус кривизны.

Установка СКМЗ ТВЧ должна обеспечивать возможность гибки профильных заготовок в двух режимах:

– гибка с нагревом заготовки в зоне изгиба индукционным нагревателем до температуры 650 °С с последующим охлаждением водой на воздухе в процессе движения ее через машину, эта гибка рассматривается как холодная;

– гибка с одновременной закалкой путем нагрева заготовок в зоне изгиба до температуры 900 – 1050 °С индукционными нагревателями (индукторами) с последующим резким охлаждением водой от спрейера в зоне малой протяженности непосредственно за нагревателем.

При гибке на высокочастотных установках с применением индукционного нагрева операции гибки и закалки совмещаются, что снижает трудоемкость изготовления деталей.

Технологической особенностью гибки кольцевых ребер жесткости на установках ТВЧ является установка равномерного зазора между индуктором и заготовкой по всему периметру детали для исключения пережога металла, а также определение оптимальной скорости прохождения заготовки для получения равномерных механических в заданном диапазоне.

Профильные заготовки изгибаются в горизонтальном положении. Для непрерывности процесса отдельные заготовки свариваются в непрерывную плеть. Для этого они подаются и укладываются на ролики перед установкой для выравнивания балки перед сваркой плети, состоящей из головной «фальшбалки» длиной 1300 мм и штатной заготовки. Шов выполняют без усиления для свободного прохода заготовки через индуктор и гибочные ролики.

На рис. 4 приведен эскиз индуктора для гибки и закалки заготовок кольцевых ребер жесткости. Индукторы для нагрева заготовок должны быть изготовлены для каждого типа профиля.

Рис. 4. Эскиз индуктора для гибки и закалки заготовок кольцевых ребер жесткости: 1 – изгибаемый профиль;

2 – магнитопровод;

3 – щека;

4 – штуцер Заготовку с «фальшбалкой» направляют в установку через индуктор и зажимают в приводном и прижимном роликах. Затем производят центровку индуктора относительно изгибаемой заготовки с таким расчетом, чтобы зазор между стенкой профиля и индуктором был равномерным и не превышал 5 – мм. Зазор между полкой профиля и индуктором в зависимости от размеров изгибаемой заготовки должен быть 4 – 7 мм. Конфигурация индукторов для гибки кольцевых ребер жесткости должна соответствовать сечениям профиля по чертежам 1968 и 1979 и обеспечивать необходимый зазор между профилем и индуктором. В процессе гибки с одновременной закалкой на установке СКМЗ ТВЧ профильная заготовка путем приводного вращения ведущего и прижимного гибочных роликов с заданной скоростью должна проходить через нагревательные индукторы, нагреваться в них до требуемой температуры, изгибаться в нагретой зоне и сразу охлаждаться водой из спрейера, что обеспечивает закалку и локализацию изгиба нагретого участка заготовки. Такой принцип гибки с деформацией в узкой разупрочненной зоне обеспечивает значительное снижение необходимых усилий гибки, устойчивость наиболее тонкой части (стенки) профиля и гибку без искажающих деформаций (гофры, малки).

Заготовки подлежат гибке «на стенку» или «на полку» на заданный радиус и закалке с нагревом ТВЧ. Высота профильных заготовок, радиус гиба (R), направление гиба (полкой внутрь или полкой наружу) устанавливают, исходя из номенклатуры подлежащих обработке профильных деталей в соответствии с конструкторской документацией. Минимальные радиусы кривизны кольцевых заготовок ребер жесткости, получаемые на установке СКМЗ при гибке с использованием ТВЧ из профилей по чертежам 1968 и 1979, приведены в руководящем документе [2]. Прокат изгибается без разделки кромки по стенке или с разделкой. Основными требованиями при гибке с нагревом ТВЧ и закалкой являются получение требуемого радиуса кривизны и обеспечение равномерной прокаливаемости по всему поперечному сечению профильной заготовки. Основными технологическими параметрами при работе на профилегибочной установке с индукционным нагревом СКМЗ ТВЧ для каждого типоразмера профиля, марки стали и применяемого индуктора являются:

– стрелка погиба профиля, регулируемая перемещением боковых гибочных роликов;

– электрические режимы нагрева под закалку и гибку, определяющие температурные режимы гибки;

– зазоры между профилем и индуктором;

– давление закалочной воды;

– скорость движения профильной заготовки через установку.

После гибки с закалкой выполняется высокий отпуск гнутых заготовок в печи. Механические свойства полособульбов после гибки, совмещенной с закалкой и последующего печного отпуска при испытании на растяжение, ударный изгиб и оценки излома по волокнистости должны соответствовать требованиям нормативных документов.

После получения положительных результатов механических испытаний образцов следует выполнить доводку гнутых заготовок из профилей по черт.

1968 и 1979 до требуемой формы методом правки на плоскость и доводки по радиусу в холодном состоянии на прессогибочном оборудовании. Правку стенки заготовок на плоскость следует выполнять на вертикальном прессе с применением прокладок и контролировать линейкой и щупом. Доводку заготовок до заданного радиуса необходимо выполнять на горизонтально гибочном прессе или вертикальном прессе в штампе с контролем по шаблону.

Технология гибки кольцевых ребер жесткости с использованием ТВЧ тяжелых профилей 1968 и 1979 новых типоразмеров позволяет:

– значительно сократить производственные затраты на формообразование деталей;

уменьшить продолжительность технологической подготовки – производства;

– уменьшить количество операций термообработки;

– обеспечить высокую точность гибки без выполнения доводочных операций;

– выполнять гибку деталей на имеющемся оборудовании;

– обеспечить требуемые показатели качества.

ЛИТЕРАТУРА 1. А.с. № 1607992 «Способ изготовления гнутых заготовок». Б.И. № 1990 г.

2. Руководящий документ РД5Р.ЛКИБ.3210-400-2011.

К ВОПРОСУ О НЕОДНОРОДНОСТИ ПОКРЫТИЙ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ Ю.Ю. Шванёва, В.В. Бублинова, филиал САФУ в г. Северодвинске, В.В. Мансуров, В.В. Богданов, ОАО «ПО «Севмаш», г. Северодвинск Одним из количественных показателей качества электродов является стабильность (обеспечение постоянства параметров электродов данной марки, которые при серийном или массовом выпуске покрытых сварочных электродов) [1]. Но, как показывает практика, в пределах одной партии электроды характеризуются низкой повторяемостью, что связано с отклонениями в технологии изготовления электродов [1–3]. По мнению И.Н. Ворновицкого [2], это обусловлено нестабильным истечением обмазочной массы в момент ее встречи со стержнем в опрессовочной головке пресса, что приводит к отклонению термодинамической активности взаимодействующих материалов (покрытие – стержень) в течение всего процесса плавления электрода и т.п.

Согласно требованиям ГОСТа 9466-75, каждая партия должна проходить приемно-сдаточные испытания, в ходе которых, кроме визуальной оценки сварочно-технологических свойств, соответствия размерам и определения разнотолщинности (е), никакие другие параметры электродов не определяются.

Приведенные параметры не позволяют проводить сравнительную оценку качества электродов, в том числе изготовленных различными производителями.

В то же время это вызывает затруднения для детального анализа технологического процесса изготовления электродов.

В связи с этим, для более точного анализа качества электродов М.И. Кучеров и В.В. Сулима [1] предложили использовать разность между максимальным и минимальным значениями разнотолщинности (е), что позволяет дать характеристику качества перемешивания обмазочной массы или ее однородности [3–4]. Однако для проведения статистического анализа с использованием е, как правило, необходимо иметь достаточный объем выборки (не менее 100 шт. электродов). Проведение анализа по е и коэффициенту разбрызгивания с учетом влияния жидкого стекла и зернового состава связано с выполнением большого объема работ, что вызовет определенные трудности. Кроме того, отмечено, что неравномерное распределение мелких фракций компонентов электродного покрытия не сказывается на разнотолщиности. Коэффициент разбрызгивания, как было установлено А.С. Чипалюк и В.Т. Федько, зависит от характеристики источника [5]. Так, применение новых источников сварочного тока типа КСУ 320 и REG-400 («чопперы»), использующих ограничение тока короткого замыкания на уровне рабочего тока (генератор тока), резко уменьшает разбрызгивание. Таким образом, использование коэффициента разбрызгивания также не позволяет получить в достаточной мере объективную оценку постоянства качества (однородности) покрытых сварочных электродов.

Другими методами оценки однородности качества покрытых сварочных электродов, являются методы сигнатурного анализа значений сварочного тока и падения напряжения на сварочной дуге.

Одним из перспективных направлений оценки однородности качества покрытых сварочных электродов является методика, описанная авторами данной статьи в работе «Применение вейвлет преобразования для исследования процесса горения дуги при сварке покрытыми электродами» [6]. Предложенная методика позволяет использовать параметры, характеризующие процесс плавления электрода и формирование капли на его торце. Как было показано в нашей работе, применение частотно-временного анализа на стадии горения дуги позволяет выявить 2 области: 1 – длительность формирования капли на торце электрода, 2 – длительность существования капли на торце электрода.

Причем длительность 1 связана с коэффициентом расплавления электродной проволоки, а длительность 2 связана с коэффициентом поверхностного натяжения и вязкости расплавленных электродного металла и шлака (при постоянстве сварочного тока). Так как перечисленные параметры зависят от состава покрытия, то 2 характеризует длительность существования капли и является характеристикой неоднородности покрытия (по химическому составу).

Для того, чтобы оценить неоднородность покрытия электродов, требуется объем выборки не менее 100 замеров. Получение такого объема данных по кз, 1, 2 не вызывает сложностей. Получение выборки значений разнотолщиности объемом более 100 замеров для одного электрода вызывает определенные трудности. С целью решения данной задачи были сделаны рентгеновские снимки электродов в трех ракурсах. С помощью специально разработанной программы на ПЭВМ определялась разнотолщиность. Объем выборки составлял ~250 значений.

Для оценки неоднородности покрытия (идентичности) были взяты электроды различных изготовителей широко применяемой марки УОНИ 13/55.

Для сравнения были использованы электроды Filarc 35, выпускаемые фирмой ESAB-AB-Filarc. Сварка производилась в нижнем положении от источника LHL-315. Параметры сварочного процесса (Iсв, Uсв) записывались с помощью цифрового регистратора. Частота дискретизации составляла 16 кГц. Сварка производилась при неизменной величине сварочного тока. С помощью разработанной программы за время сварки ~ 40 сек. (с целью избежания возможного влияния дополнительного нагрева электрода) рассчитывались параметры св, U д, кз, 1, 2.

Оценить неоднородность исследуемых параметров, по средним значениям, используя стандартные критерии, нельзя, так как они не подчиняются нормальному закону распределения [7], поэтому для сравнения неоднородности исследуемых электродов был выбран соответствующий критерий однородности 2 [7–8]. Сущность его состоит в следующем. Пусть имеем к2 выборок объемом ni (i=1, …, k), и данные каждой выборки сгруппированы в r групп (интервалов). Количество элементов j-й выборки, попавшие в i-группу, будем обозначать через ij. Статистикой критерия однородности является величина ij i.. j k r n = n, (1) i.. j i =1 j = где r k k.j = lj, i. = il, n.

n= (2) i l = i = l = Исследуемые электроды были распределены по производителям на семь групп:

1 группа – ООО «Инстрел» (Ленинградская обл., г. Колпино);

2 группа – ОАО Магнитогорский метизно-металлургический завод (г.

Магнитогорск);

3 группа – «ESAB-AB-Filarc» (Швеция);

4 группа – ФГУП «ПО «Севмаш» (Архангельская обл., г. Северодвинск);

5 группа – ООО Сычевский электродный завод (г. ?);

6 группа – «ROTEX» (Московская обл., п. Судислав);

7 группа – ОАО «Электросервис» (г. Москва).

По результатам измерений строились гистограммы распределения указанных параметров, и по формулам (1–2) рассчитывался критерий 2.

По статистическим таблицам на уровне значимости 0,01 определялась вероятность однородности по вышеперечисленным параметрам. Результаты приведены в табл. 1. Из нее видно, что однородность по разнотолщиности практически у всех марок не ниже 70 %, это означает, что из 100 электродов шт. имеют одинаковое значение разнотолщиности. По длительности коротких замыканий имеется большой разброс у электродов, изготовленных разными производителями.

Таблица Характеристики неоднородности покрытия сварочных электродов 2 –критерий N кз, % 1, % 2, % e, % группы Марка электрода УОНИ 13/55М 1 ~80 ~20 ~15 ~ УОНИ 13/55 ~76 ~2.5 ~30 ~7. УОНИ 13/ 2 ~80 ~1 ~9.5 ~ 3 Filarc 35 ~85 ~45 ~45 ~ УОНИ 13/ 4 ~80 ~35 ~40 ~ УОНИ 13/55 ~70 ~15 ~10 ~ УОНИ 13/55 ~80 ~35 ~45 ~ УОНИ 13/ 5 ~78 ~7.5 ~45 ~ УОНИ 13/ 6 ~72 ~15 ~45 ~ УОНИ 13/ 7 ~75 ~12 ~35 ~ Зависимость длительности коротких замыканий при постоянстве сварочного тока от состава проволоки, состава покрытия и т.п. [9] говорит о том, что уровень подготовки сварочной проволоки и основные технологические параметры процесса изготовления у разных производителей сильно отличаются друг от друга. Кроме того, при коротком замыкании происходит частичный перенос металла электрода в сварочную ванну. Неоднородность обусловлена и другими многочисленными факторами [8]. Так как нас в основном интересует неоднородность покрытия, которая определяет время существования капли (2), то оценку неоднородности будем рассматривать по значениям кз, 1, 2. Как видно из таблицы 1, наибольшая стабильность наблюдается у элетродов фирмы «ESAB-AB-Filarc». Разброс по стабильности у электродов, изготовленных различными производителями, связан с использованием сырья различных поставщиков и разного оборудования.


На примере изготовителя четвертой группы для оценки неоднородности покрытия использовались электроды различных партий, изготовленные в разное время с использованием разных поставщиков ферротитана. Все это подтверждает нестабильность технологического цикла и, соответственно, неоднородность. Следует отметить, что для всех изготовителей е не превышала 0,2 мм для электродов 4 мм, а е составляло не более 0,12 мм. На примере полученных данных можно также утверждать, что величины е и е характеризуют пластичность обмазочной массы и не дают полной характеристики неоднородности покрытия.

Рис.1. Зависимости стабильности от месяца изготовления.

В связи с этим представляет интерес рассмотреть стабильность изготовления легированных электродов по годам и в течении года для одного изготовителя. Полученные данные нужно рассматривать как предварительные по оценки стабильности производства. Для этой цели были выбраны электрода марки 48ХН-2 диаметром 4 мм и электроды 48М/22 диаметром 5 мм, производство ОАО «ПО»Севмаш» Сварка производилась в нижнем положении на номинальном токе. Данные по стабильности представлены на рис.1.

Как видно из графика имеется довольно большой разброс по стабильности всех параметров. Наблюдается практически 100% стабильность по tкз и минимум по t1 и сравнительно достаточная стабильность по t2. В тоже время имеется место с высокой стабильностью по t1 и t2 и очень низкая стабильность по tкз. Аналогичная картина наблюдается и по стабильности в зависимости от года изготовления рис.2.

Выяснить с чем это связано, пока не представляется возможным, из-за отсутствия необходимой информации.

t Вероятность tкз t 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Год Рис.2. Зависимости стабильности от года изготовления.

Выводы:

Таким образом, данная разработанная методика позволит проводить сравнение по оценке однородности покрытия различных производителей, настраивать и контролировать технологический процесс изготовления электродов, тем самым приближать качество отечественных производителей электродов по сравнению с импортными.

Отдельные показатели по стабильности позволяют, при выяснении нестабильности, позволяют сделать вывод, что есть возможности изготовления электродов не уступающим по стабильности сварочно-технологическим свойствам.

Литература 1. Сулима В.В., Кучерова М.И. Обеспечение стабильности качества сварочных электродов // Автоматическая сварка. 2002. № 11. С. 38.

2. Ворновицкий И.Н. Показатели качества электродов // Автоматическая сварка. 2002. № 11. С. 48.

3. Ворновицкий И.Н. Управление качеством сварочных электродов в процессе их изготовления. М., 2001. 110 с.

4. Ворновицкий И.Н., Сидлин Э.А., Адлер Ю.П., Семендяев Б.В. Анализ технологической подготовки производства по показателю разнотолщинности электродного покрытия // Сварочное производство. 2001. № 7. С. 22.

5. Федько В.Т., Чипалюк А.С. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке покрытыми электродами // Сварочное производство. 2003.

№ 2. С. 3.

6. Мансуров В.В., Богданов В.В., Авакумов Ю.В. Применение вейвлет преобразования для исследования процесса горения дуги при сварке покрытыми электродами // Сварочное производство. 2006. № 11. С. 13.

7. Лемешко Б.Ю., Помадин С.С. Проверка гипотез о математическом ожидании и дисперсии в задачах метрологии и контроля качества при вероятных законах, отличающиеся от нормального // Метрология. 2004. № 3. С.

3.

8. Петрович М.Л., Давидович М.И. Статистическое оценивание и проверка гипотез на ЭВМ. М., 1989. С. 190.

9. Мазель А.Г. Технологические свойства электросварочной дуги // Машиностроение. М., 1969. С. 178.

МЕТОД ОБРАТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ В.А. Кархин, А.М. Левченко, П.Н. Хомич, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, г. Санкт-Петербург Аннотация Предложена расчетная методика восстановления температурного поля по замеренной реальной геометрии сварного шва. Методика базируется на аналитическом решении трехмерной прямой задачи теплопроводности и численном решении обратной задачи относительно неизвестных параметров подвижного объемного источника теплоты. Для определения распределения микроструктуры используется сварочная диаграмма анизотермического распада аустенита с учетом локального температурного цикла. Конечные механические свойства металла определяются в зависимости от длительности (скорости) охлаждения. Приведено сравнение расчетных и экспериментальных распределений твердости при сварке неплавящимся электродом теплоустойчивой стали 12Х1МФ.

Введение В сварочной практике часто возникает следующая важная задача.

Известны режим сварки, сварочные материалы и основной металл (химический состав, свойства). Как быстро оценить распределение микроструктуры и механических свойств металла зон сварного соединения после сварки по геометрии шва? Известны феноменологические и статистические модели, позволяющие рассчитывать локальные микроструктурные фазы стали и основные механические свойства (твердость, предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, относительное сужение и т.д.) [1-3]. Для таких расчетов в качестве исходных данных необходимы характеристики температурного поля (распределение максимальной температуры, скорости охлаждения, время пребывания в заданном температурном интервале и т.п.).

Хорошо известные расчетные схемы [4, 5] позволяют определить достаточно точно температуру на удалении от сварочной ванны, но приводят к значительной погрешности расчета вблизи ванны. Трудности заключаются в большой сложности физических процессов в ванне (взаимодействие источника теплоты и жидкого металла, конвекция и испарение жидкости, фазовые переходы и т.д.). Для определения формы шва и температурного поля в зоне термического влияния используются сложные модели и (ЗТВ) соответствующие компьютерные программы. Это требует наличия температурных зависимостей многих физических величин (эффективной вязкости, коэффициента поверхностного натяжения и т.п.), которые, в свою очередь, зависят от решения задачи. Такие расчеты требуют много времени, больших финансовых затрат и высокой квалификации исследователей.

Выбор метода решения температурной задачи диктуется требуемой точностью решения (дальнейшим использованием результатов решения). При прогнозировании микроструктуры и свойств металла после сварки нас интересуют температурные поля только в твердой части тела, поэтому постановку температурной задачи можно значительно упростить. При этом надо знать граничные условия для твердого тела, включая границу сварочной ванны, которая является результирующей информацией о всех физических явлениях в жидком металле. Такой подход позволяет рассчитывать температурное поле в твердой части численным методом и заложен в концепцию «эквивалентный источник теплоты» [6]. Границу ванны можно найти экспериментально, что при сварке тонких пластин несложно. При сварке относительно толстых изделий обычно доступна только неполная экспериментальная информация о границе ванны.

Цель работы – создать комбинированную расчетно-экспериментальную методику полного восстановления трехмерного температурного поля и прогнозирования локальной микроструктуры и механических свойств металла сварного соединения. Методика основывается на аналитическом решении прямой температурной задачи для объемного источника теплоты, численном решении обратной задачи относительно искомых параметров источника, использовании известных моделей прогнозирования микроструктуры и механических свойств стали по термическому циклу сварки. При этом используются отдельные экспериментальные данные (видимые «чешуйки» или кратер на поверхности шва, линия сплавления в поперечном сечении шва, термические циклы отдельных точек и т.п.).

Формулировка прямой задачи теплопроводности Примем следующие допущения: тело (плоский слой) однородно и неограниченно по длине и ширине;

свойства материала (температуропроводность a и объемная теплоемкость c) не зависят от температуры;

центр источника и начало прямоугольной системы координат x, y, z движутся по поверхности тела вдоль оси x с постоянной скоростью v в течение времени t (рис. 1);

поверхность тела теплоизолирована;

начальная температура T0 постоянна. Тогда уравнение теплопроводности имеет вид:

2T 2T 2T q T = a 2 + 2 + 2 +, (1) x z c t y q3 = q3net + q3C + q3L, (2) где q3 – объемная плотность мощности эффективного источника (рис. 1а), q3net, q3C, q3L – объемная плотность реального источника и фиктивных источников, учитывающих влияние конвективного теплопереноса и теплоты плавления (затвердевания), соответственно.

Уравнение (1) с начальными и граничными условиями является формулировкой задачи теплопроводности. Для точного решения задачи необходимо знать q3net (решить задачу о взаимодействии дуги с телом), q3C (решить задачу Навье-Стокса) и q3L (решить нелинейную задачу Стефана).

Модель источника теплоты Эффективный источник (2) включает в себя поглощаемую телом энергию сварочного источника теплоты (дуги, луча и т.п.), транспорт энергии за счет конвекции жидкого металла ванны и теплоту плавления. Отметим, что мерность эффективного источника равна мерности температурного поля, даже если мерность реального источника меньше. Например, если толстая пластина нагревается поверхностным плоским (двумерным) источником, температурное поле и, следовательно, эффективный источник является трехмерным. Функцию q3 (x, y, z) можно описать приближенно, заранее задав закон распределения.

Например, в работе [7] принято, что распределение плотности мощности по всем осям описывается нормальным законом и такой источник назван эллипсоидным. При этом область действия источника по осям x, y и z не ограничена. В действительности область действия объемного источника по оси z ограничена поверхностью жидкой ванны, а вне тела (когда z больше толщины тела) лишено физического смысла.

Рис. 1 Глобальная система координат пластины x, y, z с объемным источником теплоты (а) и ограниченный нормально распределенный источник в локальной системе координат,, (б).

Рассмотрим ограниченный объемный источник, нормально распределенный вдоль каждой оси (рис. 1б). Например, распределение вдоль локальной оси описывается кривой:

1 '' ' f ( ) = e 1 exp ;

(3) e e e u (u ) = exp( w )dw, где и – границы области действия источника вдоль оси, e – параметр источника (координата точки на оси, в которой значение f в е раз меньше, чем в начале координат), – интеграл ошибок. Область действия всего источника представляет собой параллелепипед [, ] x [, ] x [, ]. Источник является единичным, площадь под каждой кривой f (), f () и f () равна (показана серым цветом). Центр локальной системы координат,, смещен относительно центра глобальной системы x, y, z на x0, y0, z0 (рис. 1б).

Отметим, что конвективный теплоперенос и теплота плавления не нарушает общий баланс энергии [8]:

q = qnet = q gross, где qnet – мощность реального источника, поглощаемая телом, – относительная доля полной мощности источника qgross, которая поглощается телом.

Исходя из физических соображений эффективный источник можно представить несколькими источниками, например, поверхностными и заглубленными источниками. Отметим, что широко используемый неограниченный эллипсоидный источник [7] является частным случаем предлагаемой модели источника, когда = = –, = 0, = = =.

Другие распределения (экспоненциальные, линейные, параболические) для различных сварочных источников теплоты приведены в работах [8-15].

Рекомендуемые типы распределения зависят от способа сварки.

Решение прямой задачи теплопроводности При принятых допущениях уравнение (1) с учетом (3) может быть решено с помощью известных численных и аналитических методов. При использовании метода источников [4, 5] приращение температуры в любой точке x, y, z в любой момент t описывается уравнением:

qt ( x, t ) ( y, t ) ( z, t )dt, T ( x, y, z, t ) T0 = (4) c где 2 ' ' ' ( s, t ) = (4at + e ) * e e ( s js0 (t ) 2kLs ) [F ( ' ' ) F ( ' )] ;

exp * 4at + e k = j = 1, u j ( s js0 (t ) 2kLs )e e ;

s = x, y, z;

=,,.

F (u ) = 1+ 4at (4at + e ) 4at e Здесь q – мощность источника, который представляет часть или весь эффективный источник, Ls – размер тела в направлении s (рис. 1а), – приращение температуры за счет мгновенного единичного источника. Если мощность q переменна во времени, то ее следует внести под знак интеграла.

Влияние теплоты плавления и затвердевания можно более точно учесть отдельно [16, 17]. Решение температурной задачи для других видов тепловых источников приведены в работах [8-15, 18].

Решение обратной задачи теплопроводности Неизвестные параметры источника определяют из условия наилучшего приближения расчетных результатов к экспериментальным данным.

Соответствующая задача оптимизации (минимизации функции цели Obj) с ограничениями типа равенства и неравенства может быть представлена в виде [8-16]:

[ ] wkp (pk pk ) N K Obj ( p) = f n ( p) + min, wnf f nm n =1 k = q qmax;

0 e emax и т.д., где p – вектор неизвестных параметров, p = {q,,,, …}, N – количество измерений, K – количество искомых параметров, fn и fnm – расчетная и заданная характеристики температурного поля в n-ой точке измерения (длина ванны, температура, максимальная температура и т.д.), pk и pk0 – k-ый искомый параметр и его заданное значение, wnf и wkp – весовые множители для характеристики температурного поля в n-ой точке и k-ого искомого параметра (задаются исследователем в зависимости от размерности и погрешности измерения), qmax – максимально допустимое значение мощности (полная мощность источника), emax – максимально допустимое значение параметра e.

Ограничения имеют физический смысл (например, кпд источника не может превышать 1, а глубина действия источника не может быть больше глубины проплавления).

Отметим, что функция Obj является нелинейной функции вектора параметров p и при решении обратной задачи приходится решать десятки и даже сотни прямых задач. Поэтому проблема скорости решения прямой задачи становится очень важной. Здесь проявляется преимущество аналитического решения трехмерной задачи, которое по времени счета на порядки быстрее численных.

Прогнозирование микроструктуры и механических свойств Решением обратной задачи являются все параметры эффективного источника теплоты. По формуле (4) можно рассчитать температурное поле и все его характеристики, например, максимальную температуру Tmax и время охлаждения t850/500 от температуры 1123 К (850°С) до 773 К (500°С).

Сварочные диаграммы анизотермического распада аустенита позволяют определить фазовый состав металла ЗТВ при охлаждении [3]. Весь этап охлаждения можно характеризовать одним показателем, например, временем охлаждения t850/500. На рис. 2 приведена экспериментальная сварочная фазовая диаграмма и механические свойства стали 12CrMo 4.3 в зависимости от времени охлаждения t850/500. Диаграмма получена из соответствующей диаграммы в координатах T – t [3].

Рис. 2. Диаграмма анизотермического распада аустенита стали 12CrMo 4.3 (a) и зависимость свойств металла от времени охлаждения от 1123 К (850°С) до 773 К (500°С) (б). Максимальная температура 1623 К [3].

Пример Дуговая сварка неплавящимся электродом теплоустойчивой стали 12Х1МФ толщиной 7 мм выполнялась на режиме: ток I = 250 А, напряжение U = 12 В, скорость сварки v = 5 мм с-1, Т0 = 293 К. Сталь 12Х1МФ (0.11-0.15 % C, 0.90-1.20 % Cr, 0.25-0.35 % Mo, 0.15-0.30 % V) [19] аналогична стали 12CrMo 4.3 (0.11 % C, 1.02 % Cr, 0.29 % Mo, 0.19 % V) [3]. Принимали следующие свойства: а = 9.40 мм2 с-1, с = 0.0035 Дж мм-3 К, температура плавления Tm = 1773 К (1500°С), АС3 = 1173 K (900°C) [19]. В качестве исходных данных взяты координаты точек границы ЗТВ в поперечном сечении (рис. 3а, слева), в которых задавалась максимальная температура (Tmax = Tm и Tmax = AC3), и точки хвостовой части сварочной ванны («чешуйки» шва, рис. 3б), в которых задавалась температура (T = Tm).

Расчетные и экспериментальные размеры сварочной ванны и шва удовлетворительно совпадают (рис. 3а и 3б, сплошная кривая). Получены следующие параметры источника теплоты: (1) q = 1100 Вт, e = e = 4 мм для поверхностного источника (в основном имитирующего влияние сварочной дуги) и (2) q = 690 Вт, e = e = 4 мм, = = – 1 мм, = = 1 мм, e = 4 мм, = 0, = 3.5 мм;

(3) q = 900 Вт, e = 100 мм, = – 9 мм, = 0, e = 4 мм, = – 0.8 мм, = 0.8 мм, e = 100 мм, = 0, = 0.7 мм для заглубленного источника (в основном имитирующего влияние конвекции и скрытой теплоты плавления и затвердевания).

Металл, нагретый выше АС3 = 1196 К, охлаждается в диапазоне 1123 К – 773 К (850°С – 500°С) в течение 5.6 с (рис. 3в). Такая длительность охлаждения t850/500 соответствует конечной микроструктуре, состоящей из 76 % бейнита и % мартенсита (рис. 2а), и следующим механическим свойствам: твердость HV30, предел текучести 0.2 = 670 МПа, предел прочности в = 750 МПа, относительное сужение = 16 %, относительное удлинение = 46.7 %, ударная вязкость K = 20.3 Дж (рис. 3б). Механические свойства основного металла следующие: 150 HV30, 0.2 = 450 МПа, в = 580 МПа, = 6.0 %, = 38.0 %, K = 32.0 Дж [3], то есть локальные механические свойства металла в ЗТВ (точке А) значительно отличаются от таковых основного металла. Расчетные распределения твердости удовлетворительно совпадают с экспериментальными (рис. 3а). Среднее экспериментальное значение твердости равно 287 HV30, а расчетное – 270 HV30.

Рис. 3. Сварное соединение стали 12Х1МФ: а – поле максимальной температуры Tmax и распределение твердости в сечении соединения;

б – расчетная граница ванны;

в – термический цикл точки А в ЗТВ.

Отметим, что один нормально круговой источник не позволяет удовлетворительно описать экспериментальные размеры сварочной ванны и шва (на рис. 5 контур ванны показан штриховой кривой). Даже если варьированием q добиться равенства ширины ванны (q = 2070 Вт, e = e = 1. мм), ванна оказывается короче. При этом время t850/500 равно 7 с.

Если принять схему быстродвижущегося точечного источника на полубесконечном теле [4], то 1 q/v 1 t850 / 500 =.

2a c 1123 T0 773 T Для рассматриваемого примера t850/500 = 1.3 – 1.8 с при = 0.5 – 0.6 [3], что соответствует твердости 370 – 360 HV30 (значение очень завышено по сравнению с экспериментом, рис. 3а).

Если принять схему быстродвижущегося линейного источника в тонкой пластине [4], то 1 q /(vh) 1 t850 / 500 =, 4a c (1123 T0 ) 2 (773 T0 ) где h – толщина пластины. Для рассматриваемого примера t850/500 = 3.7 – 5.3 с, что соответствует твердости 300 – 270 HV30.

Выводы 1. Предложенная методика, основанная на аналитическом решении прямой задачи теплопроводности и численном решение обратной задачи, позволяет полностью восстановить температурное поле в твердой части сварного соединения по замеренным отдельным характеристикам поля.

2. Для расчета температурного поля при дуговой сварке неплавящимся электродом пластин может быть использована расчетная схема объемного источника, мощность которого пространственно ограничена и распределена по нормальному закону.

Предложенная методика позволяет оценивать локальные 3.

микроструктурные фазы и распределение механических свойств металла в сварном соединении с учетом реальной геометрии шва.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

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.