Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013
Дана оценка характеристик продолжительности и частоты коротких замыканий, а также электропроводимости при повторном зажигании дуги при сварке двумя типами покрытых электродов Е6013. Определены режимы, при которых гарантируется наибольшая стабильность процесса дуговой сварки и влияние на него состава...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101219 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 / А. Гарсия-Родригес, К.Р. Гомес Перес, Р. Куинтата Пучол // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 18-24. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-101219 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1012192016-06-02T03:02:27Z Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 Гарсия-Родригес, А. Гомес Перес, К.Р. Куинтата Пучол, Р. Научно-технический раздел Дана оценка характеристик продолжительности и частоты коротких замыканий, а также электропроводимости при повторном зажигании дуги при сварке двумя типами покрытых электродов Е6013. Определены режимы, при которых гарантируется наибольшая стабильность процесса дуговой сварки и влияние на него состава покрытия. The paper gives an assessment of the characteristics of duration and frequency of short-circuiting, as well as electrical conductivity at arc re-ignition in welding with two types of coated electrodes E6013. Modes, in which the highest stability of the process is guaranteed, and influence of coating composition on it are determined 2012 Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 / А. Гарсия-Родригес, К.Р. Гомес Перес, Р. Куинтата Пучол // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 18-24. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101219 621.791.75.042 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Гарсия-Родригес, А. Гомес Перес, К.Р. Куинтата Пучол, Р. Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 Автоматическая сварка |
| description |
Дана оценка характеристик продолжительности и частоты коротких замыканий, а также электропроводимости при повторном зажигании дуги при сварке двумя типами покрытых электродов Е6013. Определены режимы, при которых гарантируется наибольшая стабильность процесса дуговой сварки и влияние на него состава покрытия. |
| author |
Гарсия-Родригес, А. Гомес Перес, К.Р. Куинтата Пучол, Р. |
| author_facet |
Гарсия-Родригес, А. Гомес Перес, К.Р. Куинтата Пучол, Р. |
| author_sort |
Гарсия-Родригес, А. |
| title |
Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 |
| title_short |
Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 |
| title_full |
Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 |
| title_fullStr |
Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 |
| title_full_unstemmed |
Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 |
| title_sort |
исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами е6013 |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101219 |
| citation_txt |
Исследование процессов горения дуги и переноса электродного металла при сварке покрытыми электродами Е6013 / А. Гарсия-Родригес, К.Р. Гомес Перес, Р. Куинтата Пучол // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 18-24. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT garsiârodrigesa issledovanieprocessovgoreniâdugiiperenosaélektrodnogometallaprisvarkepokrytymiélektrodamie6013 AT gomespereskr issledovanieprocessovgoreniâdugiiperenosaélektrodnogometallaprisvarkepokrytymiélektrodamie6013 AT kuintatapučolr issledovanieprocessovgoreniâdugiiperenosaélektrodnogometallaprisvarkepokrytymiélektrodamie6013 |
| first_indexed |
2025-07-07T10:36:38Z |
| last_indexed |
2025-07-07T10:36:38Z |
| _version_ |
1836984145263198208 |
| fulltext |
УДК 621.791.75.042
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ДУГИ
И ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА
ПРИ СВАРКЕ ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ Е6013
А. ГАРСИЯ-РОДРИГЕС, К. Р. ГОМЕС ПЕРЕС, Р. КУИНТАТА ПУЧОЛ, инженеры
(Центральный ун-т «Марта Абрэ», провинция Лас-Вильяс, Санта Клара, Вилья Клара, Куба)
Дана оценка характеристик продолжительности и частоты коротких замыканий, а также электропроводимости при
повторном зажигании дуги при сварке двумя типами покрытых электродов Е6013. Определены режимы, при
которых гарантируется наибольшая стабильность процесса дуговой сварки и влияние на него состава покрытия.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, покрытый электрод,
электрический заряд, перенос металла, зажигание дуги,
стабильность процесса
Использование неорганических компонентов пок-
рытий, которые при высоких температурах об-
разуют тонкие поверхностные оксидные слои по-
лупроводниковых элементов, позволяет выпол-
нять сварку на прямой полярности и переменном
токе, поскольку эти слои постоянно обеспечивают
новые участки эмиссии заряженных частиц на
конце электрода [1].
Тепловая энергия от прохождения электронов
по металлическому сердечнику в электрическом
поле расходуется на разложение компонентов
покрытия. Она также приводит к испарению ме-
таллических и неметаллических компонентов и
обеспечивает взаимодействие химических эле-
ментов в газообразном состоянии, частично ио-
низируя их и создавая плазму для зажигания сва-
рочной дуги и дает необходимую энергию для
надлежащего хода процесса [2].
Электрическая функция покрытия позволяет
инициировать зажигание дуги и ее повторное за-
жигание, а также поддерживать горение дуги, сна-
чала снижая работу выхода электронов из металла
проволоки-электрода, а затем вводя элементы, ко-
торые распадаются в газообразном состоянии с
низкой энергией ионизации. Поскольку распад и
ионизация представляют собой эндотермические
процессы, для газовой фазы, образующейся при
распаде покрытия, с большим потенциалом ио-
низации требуется больше энергии для того, что-
бы перевести ее в состояние плазмы.
Энтальпии элементов, вовлеченных в реакции
рекомбинации, будут больше в составах, которые
содержат элементы с большим потенциалом иони-
зации, необходимые для создания условий, гаран-
тирующих надлежащие зажигание и поддержание
горения дуги, и, в свою очередь, высокую эф-
фективность процесса переноса тепла. Химичес-
кий и минералогический состав покрытия, содер-
жание составляющих элементов и методики, ме-
тоды и технологии изготовления электродов оп-
ределяют их электрические характеристики.
Классификация электродов Е6013 согласно
спецификации ANSI/AWS А5.1 относит покрытие
электрода как композицию с высоким содержа-
нием оксида титана, а для стабилизации дуги в
основном используется калий. Такие электроды
демонстрируют хорошие рабочие характеристики
и могут использоваться для сварки как на пере-
менном, так и постоянном токе прямой и обратной
полярности во всех положениях [3]. Электроды
разных классификаций удовлетворяют определен-
ным требованиям спецификаций в отношении хи-
мического состава наплавленного металла и ме-
ханических свойств, уровней содержания влаги
в покрытии, положений сварки, типа и полярности
сварочного тока и т. д.
Целью настоящей работы является оценка ха-
рактеристик электропроводимости при повторных
зажиганиях, продолжительности и частоты корот-
ких замыканий как показателей процессов пере-
носа металла и электрического заряда, которые
создаются при гравитационной сварке двумя ти-
пами покрытых электродов Е6013 с различным
химическим составом покрытия на переменном
токе 160 А с одним и тем же углом наклона по
отношению к свариваемой пластине.
Различия электрических характеристик покры-
тых электродов при различном химическом сос-
таве покрытия позволяют оценить влияние ком-
понентов покрытия на работоспособность элект-
рода и согласовать соответствующие методы для
оценки электрических свойств электродов при
разработке, изготовлении и тестировании этих
сварочных расходных материалов, а также опре-
делить соотношение их цены и свойств.
Материалы и методы. Рассмотрим два типа
электродов Е6013 со средним диаметром сердеч-
© А. Гарсия-Родригес, К. Р. Гомес Перес, Р. Куинтата Пучол, 2012
18 6/2012
ника 3,9 мм: один испанского производства тор-
говой марки WURTH с покрытием бело-серого
цвета, средней толщиной 5,83 мм, который обоз-
начим символом E, и электрод Е6013 марки ACI-
NOX, изготовленный на Кубе, с покрытием тем-
но-серого цвета и средней толщиной 5,77 мм, ко-
торый обозначим символом C. Оба типа элект-
родов имеют среднюю длину 349,6 мм. Группы
электродов измеряли посредством случайной вы-
борки без замены по 18 образцов каждого типа,
извлеченных из герметичной промышленной упа-
ковки.
Состав покрытия определяли в соответствии
с сертифицированными методиками [4, 5] и их
результаты представлены в табл. 1.
Образцы электродов для определения харак-
теристик произвольно выбирали из промышлен-
ной упаковки. Промышленные электроды выпус-
кают сериями, а в упаковки запаковывают элек-
троды одной серии, что гарантирует в установ-
ленных пределах практически одинаковый состав
как покрытия электродов, так и металлического
сердечника. Результаты химического анализа оце-
ниваемых сварочных материалов показывают раз-
личия в химическом составе по некоторым ком-
понентам покрытия, что определяет основную пе-
ременную для сравнительных испытаний. Во вре-
мя сварочных экспериментов использовали уст-
ройство для гравитационной сварки, гарантиру-
ющее условия, при которых изменения стабиль-
ности горения дуги вызываются только характе-
ристиками покрытого электрода [6]. Для цифро-
вого отбора значений напряжения и тока исполь-
зовали установку, состоящую из сварочного тран-
сформатора, преобразователя сигналов сварочно-
го тока и напряжения в диапазоне –5…+5 В для
ввода в компьютер, где аналоговые сигналы оциф-
ровываются 12-битовым аналого-цифровым пре-
образователем платы сбора данных типа Advan-
tech PCI-1710 с частотой выборки до 100 кГц,
запрограммированным на получение 5 тыс. об-
разцов в секунду во время эксперимента [7, 8].
Последовательность операций при проведении
эксперимента. Для исследования влияния режима
сварки выбрали две группы по девять электродов
типа E и C соответственно (Е6013 [3] диаметром
4 мм) для сварки на переменном токе 125, 140
и 160 А. С помощью случайной выборки без за-
мены отбирали 18 электродов. Все они подвер-
гались идентификации, определению размеров и
визуальной оценке, для того, чтобы гарантировать
отсутствие таких дефектов, как трещины, отколы
и недопустимые отклонения эксцентриситета пок-
рытия, а также отличия в массе и размерах от
средних, указанных производителем. Для опре-
деления размеров использовали прибор типа «Foot
of King» с разрешением 0,05 мм, а для опреде-
ления массы — сертифицированные цифровые ве-
сы марки SARTORIUS с точностью измерения
0,1 г.
Эксперимент включает две схемы: в первой
схеме независимой переменной является значение
сварочного тока, которое варьировалось на трех
уровнях (125, 140 и 160 А) для определения на-
иболее стабильного режима сварки для обоих ти-
пов электродов; во второй схеме независимой пе-
ременной выступал химический состав покрытия,
который варьировался на двух уровнях для срав-
нения поведения электродов этих двух типов при
сварке на наиболее стабильном режиме. Для каж-
дой отличной независимой экспериментальной
единицы (электрода) и для каждого уровня тока
были сделаны по два повторных испытания, всего
было выполнено 18 наплавок при гравитационной
сварке. Наплавки выполняли на пластины из уг-
леродистой стали Ст3 размером 200×50×10 мм в
соответствии с российскими и украинскими нор-
мами национальных стандартов.
Сравнительный статистический анализ выпол-
няли между группами и внутри групп с учетом
методов дисперсионного анализа (ANOVA) [9],
но основываясь на непараметрических критериях
проверки статистической гипотезы.
Все электроды, используемые в эксперименте,
подвергали процессу просушки (в течение 1 ч при
температуре до 120 °С) [10].
Определение наиболее стабильного режима.
Базовая методика определения наиболее стабиль-
ного режима работы для обоих типов электродов
описана в работах [6, 8]. Методика, примененная
в этой работе, основывается на непараметричес-
ком типе обработки, в котором для проведения
анализа между группами (различные уровни тока)
Та б л и ц а 1. Химический состав покрытий электродов
типа E и C, мас. %
Объект определения Е С
SiO2 28,63 31,95
Al2O3 0,63 0,63
Fe2O3 3,3 3,32
TiO2 38,34 30,30
CaO 6,23 8,63
MgO 0,24 0,19
Na2O 0,18 0,96
K2O 4,37 5,52
P2O5 0,04 0,03
MnO 5,34 3,07
SO3 0,13 0,13
PPI* 10,10 12,04
Всего 97,53 96,77
* Потеря зажигания при 1000 °С.
6/2012 19
применяется критерий Муда. Этот критерий под-
тверждает гипотезу, что медиана (среднее значе-
ние) девяти распределений является одинаковой
при выполнении подсчета количества наблюде-
ний в каждом образце в любую сторону от «ге-
неральной медианы» (общего среднего). Если для
критерия Chi-квадрат Р ≤ 0,05, медиана образцов
(среднее значение) значительно отличается с
уровнем определенности (достоверности) 95 %,
т. е. распределения чувствительны к изменениям
режима.
Критерий Краскела–Уоллиса использовали для
анализа внутри групп (повторные испытания на
одном значении тока), подтверждая гипотезу, что
медианы образцов, взятые при одинаковом зна-
чении тока, аналогичны. Данные объединяли и
отсортировывали от меньшего к большему, по-
казывая средний диапазон для каждого распре-
деления. Если P ≥ 0,05, можно утверждать, что
между средними значениями любой из трех отоб-
ранных групп нет значительных различий, что ука-
зывает на то, что на заданном уровне тока получают
статистически одинаковые распределения с досто-
верностью 95 %. По результатам анализа оценок
отклонения абсолютного отклонения от медианы
(АОМ) и интерквартильной широты IQR совпаде-
ние в обоих группах электродов представляет более
стабильное поведение на режиме 160 А, что сог-
ласуется с результатами из [8], теоретическими рас-
четами и экспериментальными данными.
Поведение двух типов электродов при на-
иболее стабильном режиме (160 А). Перенос ме-
талла при коротких замыканиях. Определение
продолжительности и частоты коротких замыка-
ний [8, 11, 12], которое используется в данном
исследовании, отличается от методологий, тради-
ционно используемых при оценке стабильности
переноса металла при коротких замыканиях [7,
13–16]. Использовав специальные программы для
выделения подобных параметров, начиная с нап-
ряжения и сварочного тока, с помощью статис-
тической обработки можно получить вероятнос-
тные распределения каждого из них (рис. 1, 2).
С помощью критериев Шапиро–Вилка [17, 18]
при определении степени отклонения от нормаль-
ного распределения обоих параметров установ-
лено, что данные распределения не могут счи-
таться нормальными. Для определения показате-
лей среднего значения и отклонения обоих па-
раметров используют непараметрический метод.
С помощью медианного критерия Муда [19] сред-
ние значения определяют в соответствии с гипо-
тезой, что распространения одинаковы. Посколь-
ку P — величина для критерия Chi-квадрат боль-
ше 0,05, медиана образцов статистически одина-
кова с достоверностью 95 %.
При определении частоты коротких замыканий
критерий Муда применили к шести эксперимен-
там в соответствии с P параметром, где медианы
аналогичны при уровне определенности 95 %. В
качестве показателя отклонения для каждого па-
раметра X использовали оценку по абсолютному
отклонению медиан (АОМ) [20]:
АОМ = медиана (ABS (X — медиана(Х))).
Оценка продолжительности коротких замыка-
ний электродов типа C1(22) по АОМ составляет
1,4 мс; C2(23) — 1,8; C3(33) — 1,6 (среднее зна-
чение 1,6), а для электродов типа E1(22) и E2(23)
— 1,4; E3(33) — 1,6 (среднее значение 1,46).
Оценка периодичности коротких замыканий для
электродов типа C1(22) составляет 48,4 мс;
C2(23) — 42; C3(33) — 43 (среднее значение
44,46), а для электродов типа E1(22) — 38,1;
E2(23) — 43,2; E3(33) — 39,7 (среднее значение
40,33).
При оценке продолжительности коротких за-
мыканий для электродов типа C наблюдается
большое отклонение (на 8,33 %) по сравнению
с электродами типа E. В случае с периодичностью
коротких замыканий наблюдается разница на
9,28 % при сравнении обоих параметров. Большая
нестабильность при переносе металла при корот-
ких замыканиях наблюдается при сварке элект-
родами типа C.
Рис. 1. Вероятностное распределение продолжительности ко-
ротких замыканий для шести экспериментов
Рис. 2. Вероятностное распределение частоты коротких за-
мыканий
20 6/2012
Перенос электрического заряда. Для оценки
стабильности процесса переноса электрического
заряда используют значения удельной электроп-
роводимости во время пиков повторного зажи-
гания дуги [21]. Применяют программы для оп-
ределения возникновения пиков [17], их продол-
жительности и средней электропроводимости и
исследуют вероятностное распределение парамет-
ров (рис. 3). Степень регулярности электропро-
водимости определяли путем расчета медианного
критерия Муда.
Значение параметра P указывает, что распре-
деления статистически различны, средние меди-
аны отличаются на 14,32 %. Коэффициент Крас-
кела–Уоллиса использовали для определения раз-
личия между группами или внутри распределений
при испытании электродов одного типа [20]
(табл. 2).
Коэффициент Краскела–Уоллиса поддержива-
ет гипотезу о том, что распределения внутри
групп одинаковы. Если P > 0,05, предполагается,
что распределения каждого типа электрода ста-
тистически не различаются, т. е. различия в ха-
рактере проводимости отсутствуют при повтор-
ном зажигании внутри групп электродов, которые
оцениваются, и следовательно, имеют место раз-
личия между такими группами. Для оценки дис-
персии использовали АОМ. Видно, что для элек-
тродов типа С этот параметр имеет большое
отклонение.
Оценка проводимости по АОМ при токе 160 А
для электродов типа C1(22) составляет 1022,75 См/с;
C2(23) — 979,5; C3(33) — 812,4 (среднее значение
938,22); а для электродов типа E1(22) — 683,5;
E2(23) — 515; E3(33) — 739,2 (среднее значение
645,9), разница составляет 31,16%.
Сварочный ток и напряжение. Для сравнения
электродов были взяты 84 тыс. зафиксированных
значений напряжения и тока, синхронизирован-
ных во времени при расчете среднеквадратичес-
кого значения (СКЗ).
Установлено, что стандартное отклонение тока
и напряжения составляет не больше 1 % среднего
значения трех экспериментов, тогда как различие
в 5,65 % обнаружено для СКЗ напряжения элек-
тродов типа E и C. Это связано с различием из-
меренной глубины козырька Hc на конце огарка
электрода по окончании наплавки. Для электрода
типа E1 Hc = 2 мм; E2 — 2,05; E3 — 1,95 (среднее
значение 2 мм), а для электродов типа C1 Hc =
= 1,2 мм; C2 — 1,05; C3 — 1,15 (среднее значение
1,13).
Глубина козырька при сварке электродами ти-
па E больше, чем при сварке электродами типа
C, что изменяет длину дуги и напряжение при
гравитационной сварке, поддерживаемое на кром-
ке образованного козырька на конце использо-
ванного электрода.
Обсуждение результатов. При дуговой сварке
металлов покрытыми электродами наблюдаются
различные виды переноса металла: перенос ме-
талла при коротких замыканиях, каплями (гло-
булярный перенос), струйный и перенос при взры-
ве перемычки расплавленного металла, образую-
щейся при коротких замыканиях [1, 19]. Такие
параметры, как продолжительность и частота ко-
ротких замыканий дают информацию только о
процессе переноса металла в этом режиме. В эк-
спериментах, проведенных ранее [13, 22], как и
в данном исследовании, рассматривали только ко-
роткие замыкания продолжительностью более
2 мс. При обработке эмпирических данных ус-
тановлено, что короткие замыкания занимают
приблизительно 10 % средней продолжительнос-
ти наплавки (58 с), т. е. не весь металл наплав-
ляется таким образом.
Процессы переноса электрического заряда
проявляются как во время пиков повторного за-
жигания, так и в периоды горения дуги. Однако,
как правило, проводимость за единицу времени
учитывается только во время пиков повторного
зажигания. Из-за условий, накладываемых ис-
пользованием переменного тока, температура ду-
ги понижается, снижая степень ионизации и про-
водимость дуги. При таких условиях увеличива-
ется падение напряжения и имеют место пики
повторного зажигания. Повторное зажигание дуги
Рис. 3. Вероятностное распределение электропроводимости
при пиках повторного зажигания дуги для шести эксперимен-
тов при 160 А
Т а б л и ц а 2. Результаты определения коэффициента
Краскела–Уоллиса для межгруппового анализа проводи-
мости для электродов типа C и E
Эксперименты Категория
Статистическая
проверка
E-Test
P значение
C1(22) 321,67
1,23874 0,538283C2(23) 324,62
C3(33) 306,00
E1(22) 375,00
2,9751 0,225925E2(23) 344,17
E3(33) 370,40
6/2012 21
возможно, если градиент напряжения на повер-
хности конца электрода обеспечивает достаточное
количество энергии для разблокировки электрон-
ной эмиссии и тогда восстанавливается электри-
ческая стабильность процесса сварки.
Можно предположить, что для стабильного про-
цесса необходимо меньшее количество пиков пов-
торного зажигания и они должны быть меньшей
амплитуды. Однако в электрической цепи прояв-
ляются и другие типы пиков в периоды горения
дуги, в начале и в конце коротких замыканий, в
соответствии с развитием процессов переноса ме-
талла и электрического заряда.
Наплавки были представлены экспертам, ко-
торые признали их более показательными, чем
те, которые получают при ручной дуговой сварке.
Они были получены с помощью устройства гра-
витационной сварки, которое позволяет избежать
влияние оператора или системы принудительной
подачи на электрические характеристики процес-
са для оценки определенной реакции электрода
при заданных условиях эксперимента.
Результаты анализа переноса металла. Веро-
ятностные распределения продолжительности ко-
ротких замыканий (см. рис. 1) для всех экспери-
ментов представляют собой кривые, близкие по
форме для всех случаев. Это указывает на то, что
исследуемый процесс переноса металла коротки-
ми замыканиями, который оценивали при сварке
на токе 160 А, происходит одинаково у элект-
родов обоих типов. Критерий Муда для этих па-
раметров показывает, что медианы не имеют ста-
тистического различия. Однако среднее значение
медианы указывает на наличие разницы в 7,5 %
для продолжительности коротких замыканий у
электродов типа C по сравнению с электродами
типа E, что вызвано меньшей глубиной козырька
на конце электродов типа С по сравнению с элек-
тродами типа E. Такое различие в глубине ко-
зырька для режима и угла подачи в основном
объясняется различием физических и химических
свойств покрытия (см. табл. 1).
Важными компонентами покрытия электродов
типа C и E являются оксиды TiO2, SiO2 и CaO.
Изучено распределение температуры плавления в
системе CaO–SiO2–TiO2 как функции состава сис-
темы [23]. Систему оксидов, входящую в состав
покрытия, в первом приближении можно оцени-
вать по хорошо известной системе для ана- лиза
тенденции некоторых важных свойств.
Трехкомпонентная диаграмма состояния де-
монстрирует различные фазы, образовавшиеся из
составов различных концентраций исследуемых
компонентов при разных температурах. Принимая
во внимание, что покрытие состоит только из CaO,
SiO2 и TiO2, и основываясь на составах покрытия
(см. табл. 1), в диаграмме для покрытия электрода
типа C при 1550 °С определена кристобалитная
фаза, состоящая, %: 12,8 CaO, 45,07 SiO2, 42,75
TiO2, и рутиловая фаза при 1600 °С для покрытия
электрода типа E 8,50 CaO, 39,16 SiO2, 52,34
TiO2 %.
Поскольку температура плавления покрытия
электродов типа C меньше температуры плавле-
ния покрытия электродов типа E, наличие наи-
меньшей глубины козырька подтверждается у
электродов типа C, так как для них требуется
меньше энергии для расплавления при более низ-
кой температуре в одинаковых тепловых усло-
виях.
Отклонение продолжительности коротких за-
мыканий выше у электродов типа C, что указывает
на более стабильный (8,33 %) процесс переноса
металла, чем у электродов типа E.
Продолжительность и частота коротких замы-
каний являются параметрами, которые описывают
один и тот же процесс переноса металла. Веро-
ятностное распределение периодов коротких за-
мыканий (см. рис. 2) имеет одинаковую харак-
теристику для шести экспериментов при 160 А,
указывая на высокую степень повторяемости и
воспроизводимости полученных результатов, как
и с продолжительностью коротких замыканий.
Результаты оценки по критерию Муда пока-
зывают, что все шесть экспериментов имеют ста-
тистически одинаковые медианы, поэтому между
ними нет значительных различий. Средние зна-
чения соотносятся с реальными значениями из-
мерений частоты коротких замыканий для этих
типов электродов при 160 А, полученных с по-
мощью оптических методик. Это указывает на то,
что полученные результаты имеют важное физи-
ческое значение, подтверждая возможность ис-
пользования процесса.
Отклонение периодичности коротких замыка-
ний больше у электродов типа C, чем у электродов
типа E (9,28 %), что еще раз подтверждает ре-
зультаты оценки стабильности процессов перено-
са металла при короткоих замыканиях при сварке
электродами этих типов.
Результаты оценки переноса электрического
заряда. Распределения проводимости для всех
шести экспериментов при сварке на токе 160 А
(рис. 3) различны, хотя природа их вариаций от-
вечает типичной феноменологии процесса. Харак-
терные статистические различия были обнаруже-
ны в медианных значениях всех шести экспери-
ментов согласно критериям Муда. Коэффициент
Краскела–Уоллиса (см. табл. 2) определяет раз-
личия, имеющие место между электродами обоих
типов, что указывает на то, что статистические
модели для каждого типа электродов можно легко
распознать с помощью этого параметра.
Факт того, что средние значения у электродов
типа C были выше (на 14,32 %), чем у электродов
типа E, можно объяснить, если учесть, что вза-
22 6/2012
имосвязь между пиками тока и напряжения пов-
торного зажигания дуги для одного момента вре-
мени при заданных различиях в указанной глу-
бине козырька и необходимом большем времени
для зажигания дуги при сварке электродами типа
C увеличивает значение параметра, если сравни-
вать с другим типом электрода.
Исходя из степени отклонения параметра про-
водимости, можно утверждать, что он более нес-
табильный (на 31,16 %) при сварке электродами
типа C, что связано с очевидно большей слож-
ностью процессов зажигания и повторного зажи-
гания дуги при проведении испытаний электродов
этого типа.
Согласно оценке экспертов практически элек-
трические характеристики электродов E типа нам-
ного лучше, чем у типа C. Наблюдаются меньшие
потери покрытия в процессе зажигания и уста-
новления дуги и меньшие потери на разбрызги-
вание.
Количество энергии за единицу времени, зат-
рачиваемое на ионизацию покрытия электродов
типа E, согласно выполненным расчетам, соста-
вило 149,64 Дж, тогда как энергия, необходимая
для ионизации покрытия электродов С типа, сос-
тавила 149,89 Дж, т. е. не существует никакой
разницы в энергии, поглощаемой обоими соста-
вами. Ионизационная энтальпия газов не является
основанием энергетических различий между обо-
ими процессами, однако энергия, поглощенная
атомами кальция, натрия и калия для ионизации
покрытия электродов типа E, составила 39,98 Дж,
тогда как та же энергия для покрытия электродов
типа C составила 56,50 Дж при заданных кон-
центрациях атомов и степенях ионизации при тем-
пературе 6000 К. Энергия, поглощенная при
ионизации этих элементов с низким потенциалом
ионизации, у электродов типа C была больше на
70,7 %, что указывает на большую затруднен-
ность процесса зажигания, который происходит
при сварке электродами типа C. Соответственно
элементы с низким потенциалом ионизации име-
ют значительный атомный радиус, что приводит
к увеличению вероятности соударения с после-
дующими энергетическими потерями, что может
способствовать дестабилизации переноса заряда
в процессе горения дуги.
Выводы
1. Сравниваемые типы электродов не демонстри-
руют значительной статистической разницы в от-
ношении средних значений характерных парамет-
ров процесса переноса металла при коротких
замыканиях. Однако точный расчет степени
отклонений указывает на большую нестабиль-
ность процесса сварки электродами типа C по
сравнению с электродами типа E.
2. Отклонение параметра электрической про-
водимости во время пиков повторного зажигания
демонстрирует высокую репрезентативность при
различии в 31,16 % в электрическом поведении
обоих типов электродов, однако, оно указывает
только на стабильность процесса переноса элек-
трического заряда во время пиков повторного за-
жигания.
3. Электроды типа C показывают большую не-
определенность при зажигании дуги и поддержании
процесса горения дуги в сравнении с электродами
типа E. Это экспериментально проверено и еще раз
подтверждено характером поведения проводимости
и тем фактом, что для электродов типа С энергия,
необходимая для ионизации элементов покрытия
с более низким потенциалом ионизации, согласно
расчетам, была больше на 29,24 %.
1. Lancaster J. F. et al. The physics of welding. — [1986]. —
340 p. — Intern. Inst. of Welding. Second ed.
2. Schellhase M. Der Schweiβilichtbogen-ein technologisches
Werkzeug. — Berlin: Editora Tecnica de Berlin, 1985. —
236 S.
3. ANSI/AWS. Specification for carbon steel electrodes for shi-
elded metal arc welding, Standard 5.1-91. American Natio-
nal Standards Institute/American Welding Society. —
Miami, Florida: AWS, 1991.
4. Geotecnologia. Reporte de resultados. Certificado de Ensayo
No 54. Laboratorio de analisis quimicos. — Geominera del
Centro. — Santa Clara, 2006.
5. Geotecnologia. Reporte de resultados. Certificado de En-
sayo, No.6M Laboratorio de analisis mineralogico.Geomine-
ra del Centro. — Santa Clara, 2006.
6. Garcia-Rodriguez A. et al. Valoracion del desempesio de un
dispositivo de autoalimentacion disefiado para la evaluacion
operativa de electrodos revestidos // Soldagem & Inspegao.
— 2009. — 14, № 1. — P. 68–73.
7. Sanchez-Roca A., Carvajal F. H. Nuevo criterio para el ana-
lisis de estabilidad del proceso de soldadura GMAW, emple-
ando tecnicas de Emision Acustica e Inteligencia Artificial.
Tesis doctoral. — Santiago de Cuba, 2006. — 105 p.
8. Garcia-Rodriguez A. Comportamiento del tiempo de duraci-
on, la frecuencia de los cortocircuitos y la conductividad
electrica durante el pico de reencendido del arco // Soldagem
& Inspegao. — 2009. — 14, № 1. — P. 58–65.
9. Guerra C. W., Menendez E., Barreras R. Estadistica: — Ha-
bana: Felix Varela, 2003. — 376 S.
10. Colectivo. Guia de autopreparacion para la clase practica
No 4. Asignatura de tecnologia de soldadura. Universidad
Central de Las Villas, Santa Clara, 2006.
11. Garcia-Rodriguez A. Procesamiento digital de las seсales del
arco electrico en la soldadura SMAW. [CD-ROM. COMEC.
Conf. intern. de ingenieria mecanica]. — Feijoo, 2008.
12. Garcia-Rodriguez A., Gomez Perez CR. Criterios sobre algu-
nas metodologias de caracterizacion operativa de electrodos
revestidos en la soldadura en modo de transferencia metalica
por cortocircuitos // Soldadura & Inspegao. — 2008. — 13,
№ 2. — P. 141.
13. Farias J. P. Metallic Mg as a coating component in C–Mn–
Ni electrode. — Tesis Doctoral. — Universidаd Federal de
Santa Catarina, 1993. — 225 p.
14. Souza M. Validacion de un sistema computarizado para el
control de la calidad de electrodos revestidos. — Tesis de
Maestria. — Universidad Federal de Uberlandia, 1995.
15. Rissone N.M.R. et al. ANSI/AWS A5.1-91 E6013 Rutile
electrodes: The Effect of calcite // Welding J. Supplement.
— 2002. — P. 113–124.
16. Farias J. P., Scotti A., Surian E. The effect of wollastonite
on operational characteristics of AWS E6013 electrodes // J.
6/2012 23
of the Brazilian Society of Mechanical Sci. and Eng. —
2004. — 26, № 3. — P. 17.
17. Molinero L. M. Y si los datos no siguen una distribucion
normal? Asociacion de la sociedad espaкola de hipertension
arterial, 2003.
18. Shapiro S. S., Wilk M. B. An analysis of variance test for
normality (complete samples) // Biometrika. — 1965. — 52,
№ 3, 4. — P. 591–611.
19. Mood A. M. Introduction to the theory of statistics. — 3-d
ed. — McGraw-Hill, 1974. — 540–541 p.
20. Ripley B. D. Robust Statistics. — Springer-Verlang, 2004.
— 11 p.
21. Ponomarev V. Arc welding process statistical analysis. Met-
hodical approaches, analysis conceptions, experiences, 1997.
22. Sanchez-Roca A., Carvajal F. H. New stability index for
short circuit transfer mode in GMAW process using acoustic
emission signals // Sci. and Technology of Welding and J. —
2007. — 12, № 5. — P. 460–466.
23. Metallurgy. Slag atlas. Verein Deutscher Eisenhuttenleute:
Verlag Stahleisen M.B.H. Duesseldorf, 1981. — 282 S.
The paper gives an assessment of the characteristics of duration and frequency of short-circuiting, as well as electrical
conductivity at arc re-ignition in welding with two types of coated electrodes E6013. Modes, in which the highest stability
of the process is guaranteed, and influence of coating composition on it are determined
Поступила в редакцию 24.01.2012
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ
ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ И МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ
В УСЛОВИЯХ ГИБРИДНЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ
ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Научно-исследовательская работа по указанной теме была завершена в 2011 г. в Институте элек-
тросварки им. Е. О. Патона (руководитель темы — д-р техн. наук Ю. С. Борисов).
Для проведения исследований созданы лазерно-плазменные экспериментальные стенды с соос-
ным и перекрестным взаимодействием плазменной струи и лазерного луча, оснащенные дуговым
плазмотроном МП-4 (2,5 кВт), интегрированным лазерно-дуговым плазмотроном ИЛДП-01 (5 т) и CO2-
лазером (10 кВт). Калориметрическими измерениями установлено, что в случае соосного взаимо-
действия луча CO2-лазера и Ar-плазменной струи в плазмотроне ИЛДП-01 степень поглощения струей
энергии лазера достигает 15 %, при перекрестном пересечении Ar-плазменной струи лазерным лучом
она оставляет 20…30 %. Это приводит к образованию зоны оптического разряда и повышению тем-
пературы струи Ar-плазмы до (15…25)⋅103 К. Показано, что в их условиях создается возможность
протекания газофазных (CVD) процессов нанесения покрытий. Установлено, что при подаче в Ar-плаз-
менную струю газовой смеси 96Н2 + 4СН4 на поверхности подложек из молибдена и кремния, нагретых
до 700…800 °С, по данным рамановской спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии
формируются алмазные структуры. Установлено, что при обработке такой струей образцов из стали
и Ti-сплава, нагретых до 200…300 °С, на поверхности формируется слой алмазоподобного углерода
толщиной 0,3…3 мкм с твердостью на стали — до 35 ГПа, на Ti-сплаве — до 20 ГПа.
Исследованы процессы, происходящие в условиях активированного лазерно-микроплазменного
напыления покрытий из порошка титана и продуктов распыления Ti-проволоки при использовании в
качестве активных газов N2, СН4, 96Н2 + 4СН4. Установлено, что в процессе напыления в результате
активации реакций взаимодействия поверхности Ti-частиц с газовой фазой идет образование TiC,
TiN, TiCN, которые формируют в покрытии дисперсные упрочняющие фазы, повышающие его твер-
дость до 13…17 ГПа.
Выполнены эксперименты по плазменному нанесению тонких оксидных покрытий из TiO2 и Al2O3
с использованием нанодисперсных суспензий и продуктов разложения прекурсоров — металлоор-
ганических соединений.
Исследован процесс гибридного лазерно-плазменного нанесения покрытий, формирующихся из
продуктов лазерной абляции мишени материала покрытия (Ni, Al2O3), переносимых на подложку
ламинарной струей Ar-плазмы. Установлена возможность получения таким путем покрытий Al2O3
толщиной 10…20 мкм при исключении образования парокапельной фазы.
Проведен анализ областей практического применения разработанных процессов, к основным из
которых относятся лазерно-плазменное упрочнение деталей ДВС (в частности, работы ИЭС с заводом
им. Малышева), оборудования полиграфической и деревообрабатывающей промышленности, метал-
лургического оборудования, штамповой оснастки; нанесение алмазоподобных покрытий на литейные
и прессформы пластиковой промышленности, детали холодильных компрессоров, плунжера ДВС,
инструмент и приборную технику.
24 6/2012
|