УДК 621.791.01

Сапожков Сергей Борисович

Доктор технических наук, профессор

Юргинский технологический институт (филиал)

Томского политехнического университета, Россия

Рудаков Сергей Григорьевич

Кандидат технических наук, профессор

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

Соколов Павел Дмитриевич

Доцент

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

Развитие теории и технологии защитных покрытий при изготовлении сварных конструкций из низко – и среднелегированных сталей при производстве горно-шахтного оборудования

Сварка в углекислом газе занимает одно из ведущих мест во всех отраслях промышленности, как у нас в стране, так и за рубежом.

Существенным недостатком способа сварки в СО₂ является повышенное разбрызгивание металла и связанное с ним набрызгивание поверхности свариваемых изделий, сборочно-сварочных приспособлений и деталей сварочной аппаратуры, что приводит к увеличению трудоемкости операции очистки этих поверхностей от брызг расплавленного металла на 30 - 40 %, расхода виброинструмента и энергии.

Уменьшение набрызгивания обеспечивается тем, что поверхность металла, подлежащего сварке, покрывается защитным слоем в виде раствора веществ - защитного покрытия (ЗП), высыхающего перед сваркой и препятствующего прилипанию брызг к основному металлу.

Эффективная защитная способность ЗП зависит от ряда предъявляемых к ним требований, главным из которых следует считать термостойкость компонентов покрытия, достаточность которой зависит от характера взаимодействия брызг расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия. Развитие и дополнение теории взаимодействия брызг с поверхностью позволит повысить защитные свойства покрытий, особенно при изготовлении сварных конструкций из низко - и среднелегированных сталей при производстве горно-шахтного оборудования, магистрального трубопроводного транспорта и т.д.

Контактное взаимодействие капли с поверхностью свариваемого изделия протекает в три стадии: 1) образование физического контакта, т.е. сближение атомов контактирующих поверхностей на расстояние физического или слабого химического взаимодействия; 2) активация контактных поверхностей (образование активных центров); 3) объемное взаимодействие.

В течение третьей стадии происходит развитие взаимодействия как в плоскости контакта с образованием прочных химических связей, так и в объеме зоны контакта. Этот процесс протекает на активных центрах, представляющих собой поля упругих искажений решетки, в частном случае дефекты структуры (дислокации, вакансии и т.д.) и заканчивается слиянием дискретных очагов взаимодействия. Критерием окончания третьей стадии, при взаимодействии капли расплавленного металла с поверхностью свариваемого изделия, служит рекристаллизация, приводящая к образованию общих зерен в зоне контакта.

Известно, что капля в момент вылета из дугового промежутка перегрета, и её температура может достигать 2500 ⁰С. Высокие температура в контакте (Т_конт) и давление являются движущими силами физико-химического взаимодействия, ведущего к прочному сплавлению капли и поверхности. Образование физического контакта между ними происходит вследствие деформации и растекания капли. Поскольку капли нагреты до высокой температуры и интенсивно деформируются на поверхности, то их атомы в зоне контакта возбуждены и легко образуют активные центры химического взаимодействия.

Соударение капли с поверхностью вызывает ее деформацию и способствует физическому контакту. В зоне соударения возникает давление Р, которое является составляющей напорного давления P_н (или динамической составляющей) и ударного давления Р_у, возникающего вследствие эффекта гидравлического удара.

В первый момент соударения в месте контакта с деталью жидкий объем капли упруго деформируется. Только через промежуток времени t_у=d/c (с — скорость звука в расплаве, м/с), равный 0,1 мкс для мелких и 1,0 мкс для крупных и достаточный для достижения фронтом ударной волны (движущегося 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.

Результаты расчетов, выполненных для данного случая, показывают, что ударное давление различно для капель разного диаметра и достигает 30 МПа для мелких капель и 10 МПа для крупных. Рассчитанное по уравнению Бернулли , напорное давление капли составляет 10 МПа для мелких капель и 7 МПа для крупных.

Если высота капли на ее оси за время деформации равномерно уменьшается от d до h; со скоростью V движения капли в момент удара, то длительность действия напорного давления будет определяться временем ее деформации и составит 10 мкс для мелких и 4 мкс для крупных капель.

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 прочности сцепления капли с поверхностью.

При ударе капли о поверхность детали кинетическая энергия движения вызывает деформацию капли. Одновременно с растеканием капли по поверхности от более холодной детали движется фронт кристаллизации. Деформация капли заканчивается, когда фронт кристаллизации встречается со свободной поверхностью капли. По окончании процесса деформации устанавливается максимальный диаметр взаимодействия капли с поверхностью.

Температура в контакте (температура контакта Т_конт) поверхности (подложки) с жидкой, быстро растекающейся каплей, лежит между температурой подложки Т_п и температурой капли Т_к (Т_к>Т_конт>Т_п) и остается постоянной в течение времени t₀, равного длительности кристаллизации капли.

Рисунок 1 – Влияние Тп и Тконт на Рср

Капли полностью приварившиеся к поверхности считаются трудноудалимыми, так как для их удаления необходимо применять специальные устройства. Критерием трудноудалимости можно считать удельное усилие среза Р_ср, которое необходимо приложить для удаления такой капли.

Исследование процесса сцепления брызг с поверхностью металла, предварительно нагреваемой до всё более высокой температуры, показало, что прочность сцепления зависит от Т_п и Т_конт (рисунок 1).

На поверхности капель оксидная пленка в основном состоит из FeO. В момент контакта капель с поверхностью металла, покрытого окалиной, происходит ее плавление. В расплаве происходит перемешивание оксидной пленки брызг с окалиной на поверхности свариваемого изделия и образуется наименее прочное сцепление (Р_ср составляет 20-50 Н/мм²). В конкретном случае на Р_ср влияет расстояние от сварного шва до зоны контакта, а так как изделие в процессе сварки нагрето не равномерно, то можно утверждать, что прочность сцепления капли с поверхностью зависит от Т_п.

При изучении сцепления крупных капель было обнаружено сплавление их с поверхностью изделия, которое происходит только после удаления с участка контакта оксидных пленок или их полного отсутствия. Процесс образования сцепления считали завершенным, когда металлическая связь установится на всей площади взаимодействия и Р_ср перестанет изменяться (Р_ср ≈ 500 Н/мм² – см. рисунок 3). Однако следует учитывать, что на прочность сцепления в данном случае влияет интенсивность процесса теплоотвода, температуры контакта и поверхности, ударное давление в момент контакта и наличие оксидов на поверхности, все эти факторы в совокупности приводят к частичному или полному сплавлению взаимодействующих капли и поверхности. Так Р_ср изменяется в пределах 60 - 500 Н/мм².

На прочность сцепления капли с поверхностью влияют не только чистота последней, но и характер её шероховатости. Большая шероховатость увеличивает, во-первых, контактную температуру под брызгами, так как выступы шероховатости вследствие недостаточного теплоотвода нагреваются до более высоких температур, во-вторых, суммарную площадь участков взаимодействия атомов капли с атомами поверхности.

Вывод: На основе комплекса исследований установлены основные факторы, оказывающие влияние на характер взаимодействия брызг (капель) расславленного металла с поверхностью: интенсивность процесса теплоотвода, температура контакта (Т_конт), температура поверхности (Т_п), силовое воздействие капли, наличие оксидов на поверхности и её шероховатость. Контактное взаимодействие протекает в три стадии: 1) образование физического контакта происходит вследствие деформации и растекания капли; 2) активация контактных поверхностей (образование активных центров); 3) объемное взаимодействие. Высокие температура в контакте (Т_конт) и давление являются движущими силами физико-химического взаимодействия, ведущего к прочному сплавлению капли и поверхности.