Определение твёрдости наплавленного металла и металла зоны термического влияния (ЗТВ) при низкочастотных колебаниях сварочной ванны

Abstract

RUS: Актуальность работы. Использование механических гармонических колебаний сварочной ванны или инструмента является недорогим и достаточно простым средством формирования желаемой степени дисперсности структуры, а значит прочности наплавленного металла. Возможность по-разному прикладывать колебания относительно оси наплавки (сварки) позволяет формировать сварочный шов или наплавливаемый валик с определенной анизотропией механических свойств в заданном направлении. Исследованию формирования микроструктуры в условиях периодического воздействия на расплав посвящено большое количество работ. Однако, исследования касаются в основном изучения влияния с частотами, значительно превосходящими 5 Гц и амплитудами от нескольких микрон до 2–3 мм. Исследуется возможность колебаниями расплава сварочной ванны с частотным 2,5–4,5 Гц и амплитудным диапазоном 3–7 мм влиять на значение твёрдости наплавленного металла и металла зоны термического влияния (ЗТВ). Цель работы – получение количественных зависимостей, определяющих величину твёрдости наплавленного металла и ЗТВ как функцию от параметров технологического и колебательного режимов. Методы исследования. Для исследований образцы были подготовлены и отполированы до 14 степени чистоты по ГОСТ 25593–83. Наплавка производилась легированной проволокой в среде углекислого газа на подложку из углеродистой стали. Твёрдость по Виккерсу определялась с помощью твердомера LECO M–400 с нагрузкой индентера 1 кг согласно ДСТУ ISO 6507–1:2007. Результаты измерений обрабатывались методом регрессионного анализа при помощи программных пакетов STATISTICA 12 и PTC Mathcad Prime 3.1. Результаты. Получены регрессионные модели зависимости величины твёрдости наплавленного металла и металла ЗТВ от силы тока и скорости наплавки, амплитуды и частоты гармонических колебаний сварочной ванны. По полученным моделям построены контурные графики зависимости величины твёрдости от амплитудно-частотных характеристик колебаний. Приведен вариант прогноза получения максимальной твёрдости наплавленного металла и металла ЗТВ при токе наплавки 125 А и скорости наплавки 14 м/ч. Научная новизна. Проведены эксперименты по наплавке образцов при различных колебательных режимах сварочной ванны, что осуществлялось посредством применения программируемого шагового двигателя. Построены эмпирические зависимости влияния величин тока и скорости наплавки, частоты и амплитуды колебаний определённого диапазона на величину твёрдости наплавленного металла и ЗТВ. Практическая ценность. Доказана возможность повышения твёрдости наплавленного металл и ЗТВ за счёт применения колебаний сварочной ванны данного амплитудно-частотного диапазона. Определены значения амплитуды и частоты колебаний при оптимальных значениях силы тока и скорости наплавки, позволяющие получить максимальное значение твёрдости. UK: Актуальність роботи. Використання механічних гармонійних коливань зварювальної ванни або інструменту є недорогим і досить простим засобом формування бажаного ступеня дисперсності структури, а й, відповідно, міцності наплавленого металу. Можливість по-різному прикладати коливання щодо осі наплавлення (зварювання) дозволяє формувати зварювальний шов або наплавлюваемій валик з певною анізотропією механічних властивостей у заданому напрямку. Дослідженню формування мікроструктури в умовах періодичного впливу на розплав присвячена велика кількість робіт. Однак дослідження стосуються здебільшого вивчення впливу коливань із значеннями частоти значно більшими 5 Гц й значеннями амплітуди від декількох мікрон до 2–3 мм. Досліджується можливість впливу на величину твердості наплавленого металу і металу зони термічного впливу (ЗТВ) завдяки коливанням розплаву зварювальної ванни з частотним діапазоном 2,5–4,5 Гц і амплітудним діапазоном 3–7 мм. Мета роботи – отримання кількісних залежностей, що визначають величину твердості наплавленого металу і металу ЗТВ як функцію від параметрів технологічного і коливального режимів. Методи дослідження. Для досліджень зразки були підготовлені і відполіровані до 14 ступеня чистоти за ДСТУ 25593-83. Наплавлення проводилося легованим дротом у середовищі вуглекислого газу, де зварювальний зразок був з вуглецевої сталі типу Ст3. Твердість за Віккерсом визначалася за допомогою твердоміра LECO M-400 з навантаженням індентером 1 кг згідно з ДСТУ ISO 6507-1: 2007. Результати вимірювань оброблялися методом регресійного аналізу за допомогою програмних пакетів STATISTICA 12 і PTC Mathcad Prime 3.1. Результати. Отримано регресійні моделі залежності величини твердості наплавленого металу і металу ЗТВ від сили струму і швидкості наплавлення, амплітуди і частоти гармонійних коливань зварювальної ванни. За отриманими моделям побудовані контурні графіки залежності величини твердості від амплітудно-частотних характеристик коливань. Наведено варіант прогнозу отримання максимальної твердості наплавленого металу і металу ЗТВ при струмі наплавлення 125 А і швидкості наплавлення 14 м/ч. Наукова новизна. Були проведені експерименти з наплавлення зразків при різних коливальних режимах зварювальної ванни, що здійснювалися за допомогою застосування програмованого крокового двигуна. Побудовано емпіричні залежності впливу величин струму і швидкості наплавлення, частоти і амплітуди коливань певного діапазону на величину твердості наплавленого металу і ЗТВ. Практична цінність. Доведено можливість підвищення твердості наплавленого металу і ЗТВ за рахунок застосування коливань зварювальної ванни цього амплітудно-частотного діапазону. Визначено значення амплітуди і частоти коливань при оптимальних значеннях сили струму і швидкості наплавлення, що дозволяють отримати максимальне значення твердості. EN: Work rele vance. The using of mechanical harmonic oscillations of welding pool or tool are inexpensive and quite simple procedure formation desirable degree of dispersion structure it means weld metal strength. Possibility of oscillations differently applied relative of the surfacing (welding) process axis lets welding seam or surfacing bead formation with certain anizotropy of mechanical properties in given direction. Many works have dedicated of researches of microstructure formation by conditions of periodic action on weld melt. However, the most part of it are devoted mostly researching to influence oscillations with frequency much superior value of 5 Hz and amplitude value range from some microns to 2–3 mm. Purpose of work is getting quantity dependencies which defining hardness value of weld metal and metal of HAZ as a function of technological and oscillations modes parameters. Research methods. For researchers the samples have had prepared and polished to #8 Mirror Finish by ISO (ГОСТ 25593 – 83). The surfacing process in CO2 protection environment had has carried out by alloy wire named G3Si1 by EN 13479 ISO 143341 (ТУ У 322-4-392-96) which diameter 1.2 mm. Base metal was common quality carbon steel type Е 235-С by ISO 630:1995, ISO 1052:1982 (ДСТУ 2651:2005). Measurement of hardness (by Vickers) had carried out on hardness tester named LECO M-400 under indenter load 1 kg by ISO 6507-1:2007 (ДСТУ ISO 6507-1:2007). Research resultants had treatment by regression analysis methods with application of analytics software package STATISTICA 12 and engineering math software PTC Mathcad Prime 3.1. Results. Regressive models of hardness value as function magnitudes arc current, the surfacing process velocity, amplitude and frequency oscillations have received. Contour plots of depend of hardness value from amplitude and frequency magnitudes were created. Variant of predict of the receiving maximum value hardness weld metal and metal of HAZ at arc current 125 A and the surfacing process speed 14 m/h are presented. Scientific novelty. The experiments were carried out with different amplitude and frequency values which were given through programming step motor. Empirical depends of influence of technological and oscillation modes parameters of certain range on weld metal hardness and metal HAZ hardness values are created. Practical value. An increase possibility of hardness values of weld metal and metal of HAZ due to use weld pool oscillations with frequency value range 2.5–4.5 Hz and amplitude value range 3–7 mm was proven. The magnitudes of amplitude and frequency permitting receives maximum hardness values at optimal values of arc current and the surfacing velocity were obtained.