WPŁYW PARAMETRÓW SPAWANIA NA SPRAWNOŚĆ CIEPLNA I SPRAWNOŚĆ TOPIENIA PROCESU GTAW

Transkrypt

1 9/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW PARAMETRÓW SPAWANIA NA SPRAWNOŚĆ CIEPLNA I SPRAWNOŚĆ TOPIENIA PROCESU GTAW A. W. ORŁOWICZ 1, M. MRÓZ 2 Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów, STRESZCZENIE Praca dotyczyła oceny sprawności cieplnej i sprawności topienia w procesie nadtapiania powierzchniowego odlewów ze stopu AK 7. W badaniach zastosowano kalorymetr przepływowy. Określono ilość ciepła zużytego do utworzenia nadtopienia. Proces nadtapiania wykonano w atmosferze helu, zmieniając prędkość skanowania łukiem elektrycznym i natężenie prądu. Ustalono związki pomiędzy parametrami technologicznymi procesu GTAW, a geometrią nadtopień. Key words: arc efficiency, melting efficiency, GTAW process, calorimeter 1. WPROWADZENIE Stop AK 7 charakteryzuje się dobrą spawalnością. W praktyce odlewniczej do naprawy odlewów oraz łączenia elementów stosowana jest metoda GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). Jest ona również stosowana do uszlachetniania powierzchniowego odlewów [1,2]. Znajomość ilości ciepła dostarczonego do powierzchni materiału oraz ilości ciepła rzeczywiście wykorzystanej do utworzenia nadtopienia o wymaganej geometrii stanowi podstawę doboru parametrów technologicznych procesu. Całkowita energia wygenerowana w procesie E jest dystrybuowana dwoma drogami. Część energii przechodzi do otoczenia E o, a pozostała część jest przejęta przez skanowany łukiem elektrycznym element. Energia przejęta przez element jest wykorzystana do utworzenia 1 dr hab. inż., prof.prz, zois@prz.rzeszow.pl 2 dr inż. mfmroz@prz.rzeszow.pl

2 75 nadtopienia E mc, a pozostała część przepływa do materiału rodzimego E mr. Zostaje ona zużyta na utworzenie strefy wpływu ciepła (SWC) oraz nagrzanie materiału rodzimego poza SWC. W literaturze technicznej spotyka się niewiele opracowań dotyczących sprawności topienia [3-7]. Dotyczą one głównie stali. Znacznie więcej opracowań wykonano w odniesieniu do sprawności cieplnej [3-6,8]. Niniejsza praca dotyczyła badania sprawności cieplnej i sprawności topienia stopu AK 7 w procesie GTAW oraz oceny wpływu parametrów technologicznych procesu GTAW na geometrie nadtopień. 2. METODYKA BADAŃ Materiał do badań stanowił stopu AK 7 o składzie chemicznym 7,40% Si, 0,31% Mn, 0,25%, Mg, 0,15% Fe, 0,044% Sr, 0,015% Cu, reszta Al. Próbki o wymiarach 250x50x10 mm, po zamocowaniu w naczyniu kalorymetrycznym były nadtapiane łukiem elektrycznym z zastosowaniem urządzenia Faltig 315 AC/DC. Stosowano elektrodę wolframową o średnicy 4 mm. Odległość elektrody od powierzchni próbek wynosiła 6 mm, co przy stosowaniu natężenia prądu I = 100, 150, 200, 250 i 300 A oraz prędkości skanowania łukiem elektrycznym v s = 0,33, 0,67, 1,0 i 1,33 cm/s zapewniało stabilne jarzenie się łuku. Dla wszystkich parametrów procesu spełnione było kryterium stabilności łuku Kaufmanna (du/di) > 0 (rys.1) [8]. Jako gaz ochronny stosowano hel. Wydatek gazu wynosił 20 l/min. Rys.1. Charakterystyka łuku elektrycznego dla atmosfery helu Fig. 1. The arc characteristic for atmosphere of helium Badania kalorymetryczne wykonano z zastosowaniem kalorymetru przepływowego [9]. Pozwoliły one określić ilość ciepła przejętego przez nagrzewany materiał, Q meas. Sprawność cieplna procesu określono z zależności = Q meas. / U I t, gdzie U jest napięciem łuku elektrycznego, I jest natężeniem prądu, t jest czasem skanowania łukiem elektrycznym. Geometrię nadtopień oceniono na próbkach po badaniach kalorymetrycznych. Pomiary wykonano na zgładach wyciętych prostopad le do osi wzdłużnej nadtopień. Całkowitą objętość nadtopień V n określono mnożąc pole

3 76 przekroju poprzecznego nadtopień przez ich długość (200 mm). Ciepło potrzebne do uzyskania nadtopień określono mnożąc objętość nadtopienia V n przez ilość ciepła potrzebną do nagrzania jednostkowej objętości materiału z temperatury otoczenia T o do temperatury topnienia T t uwzględniając również ciepło topnienia. Obliczenia wykonano według wyrażenia: H H Tt To c dt gdzie: H - entalpia topnienia, c p ciepło właściwe. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Q Pomiary kalorymetryczne pozwoliły określić sprawność cieplną i sprawność topienia w zależności od parametrów technologicznych procesu GTAW (rys.2 i 3). p Rys.2. Sprawność cieplna w funkcji natężenia prądu (a) i prędkości skanowania łukiem elektrycznym (b) Fig. 2. Arc efficiency as a function of welding current (a) and travel speed (b) Rys. 3. Sprawność topienia w funkcji natężenia prądu (a) i prędkości skanowania łukiem elektrycznym (b) Fig. 3. Melting efficiency as a function of welding current (a) and travel speed (b)

4 77 Sprawność cieplna procesu rośnie ze wzrostem natężenia prądu i maleje ze wzrostem prędkości skanowania łukiem elektrycznym. Dla parametrów procesu stosowanych w pracy najwyższa wartość sprawności cieplnej wynosiła = 0,75. Jest to zgodne z wynikami prac innych autorów. Du Pont i Marder [3], Smart i inni [10] oraz Giedt i inni [11] badając sprawność procesu GTAW dla stali uzyskali odpowiednio wartości sprawności cieplnej 0,67, 0,7 i 0,8. Sprawność topienia rośnie ze wzrostem natężenia prądu i ze wzrostem prędkości skanowania łukiem elektrycznym. Najwyższa wartość sprawności topienia uzyskana w tej pracy wynosiła m = 0,3. Przegląd literatury odnośnie sprawności topienia w procesie GTAW wskazuje na małą ilość publikacji. Du Pont i Marder [3] uzyskali wartość m = 0,3. Fuersbach i Knorowsky [12] uzyskali m = 0,46, natomiast Swift- Hook i Gick [13] uzyskali m = 0,37. Okada [6] oraz Du Pont i Marder [3] prezentują związek pomiędzy sprawnością topienia m a wyrażeniem UIv s, będącym iloczynem ilości energii wprowadzonej do obszaru nadtopienia (net arc power) oraz prędkości skanowania łukiem elektrycznym (travel speed). Charakter tej zależności jest zgodny z zależnością uzyskaną dla prezentowanych w pracy wyników badań (rys.4). Rys. 4. Zależność sprawności topienia od parametru U I v s Fig. 4. Melting efficiency as a function of the product of net arc power and travel speed, U I v s Z praktycznego punktu widzenia interesujące są zależności pomiędzy ilością ciepła rzeczywiście wprowadzonego do obszaru nadtopienia i geometrią nadtopień. Znając sprawność cieplną procesu i sprawność topienia można ocenić ilość ciepła pochłoniętą przez obszar nadtopiony U I t m. Wzrostowi ilości tego ciepła odpowiadają wyższe wartości szerokości i głębokości nadtopień (rys.5).

5 78 Rys. 5. Szerokość (a) oraz głębokość nadtopień (b) w funkcji rzeczywistej ilości ciepła zużytego na utworzenie obszaru nadtopionego Fig.5. The depth and width of the fusion zone as a function of the fraction of the net energy input that leads to melting, U I t m W praktyce spawalniczej często stosuje się wyrażenia E = U I/v s, tj wkład energii na jednostkę długości nadtopienia. Wyrażenie to łączy w sobie parametry procesu technologicznego GTAW. Wpływ energii liniowej na szerokość i głębokość nadtopień przedstawiono na rysunku 6. Rys.6. Szerokość (a) oraz głębokość nadtopień (b) w funkcji energii liniowej Fig. 6. The effect of energy input per unit fusion length on the width (a) and depth (b) of the fusion zone 4. STWIERDZENIA W wyniku badań nad wpływem parametrów technologicznych procesu GTAW na współczynniki termiczne procesu nadatapiania odlewów ze stopu AK 7, stwierdzono, że wzrostowi natężenia prądu łuku elektrycznego towarzyszy wzrost sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia. Wzrostowi prędkości skanowania łukiem elektrycznym

6 79 towarzyszy zmniejszenie sprawności cieplnej procesu i wzrost sprawności topienia. Wykazano, że wyrażenie zaproponowane przez Okadę może być wykorzystane w praktyce spawalniczej. Efektem wzrostu sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia jest wzrost ilości ciepła wprowadzonego do obszaru nadtopienia, a tym samym wzrost parametrów geometrycznych nadtopień. LITERATURA [1] Orłowicz W., Mróz M.: Structure and operational characteristics of castings of LM 25 alloy with surface layer refined by rapid solidification. International Journal Cast Metals Research, 15, 2, 2002, [2] Orłowicz W. Trytek A.: Effect of rapid solidification on sliding wear of iron castings. Wear, 254, 2003, [3] DuPont J.N., Marder A.R.: Thermal efficiency of arc welding process. Welding Journal, 74, 12, 1995, [4] Fuersbach P.W.: Measurement and prediction of energy transfer efficiency in laser beam welding. Welding Journal, 75 (1), 1996, [5] Wells A. A.: Heat flow in welding. Welding Journal, 31 (5), 1952, [6] Okada A.: Applications of melting efficiency and its problem. Journal of the Japan Welding Society, 46 (2), 1977, [7] Niles R.W, C.E. Jackson: Weld thermal efficiency of the GTAW process. Welding Journal,, Res Suppl., January, 1975, [8] Katsaounis A.: Heat flow and arc efficiency at high pressure in argon and helium arcs. Welding Journal, 72 (12), 1993, [9] Orłowicz W., Mróz M., Trytek A.: Heating efficiency in the GTAW process. Acta Metallurgica Slovaca, No 2, 1999, [10] H.B. Smartt, J.A. Stewart, C.J. Einerson: Heat transfer on gas tungsten arc welding. Proc. ASM Int. Welding Congress, ASM, 1985, [11] Giedt W.H., Tallerico L.N., Fuerschbach P.W.: GTA Welding efficiency: calorimetric and temperature field measurements. Welding Journal, 68 (1), 1989, [12] P.W. Fuersbach, G.A. Knorovsky: A study of melting efficiency in plasma arc and gas tungsten arc welding. Welding Journal, 70, (11), 1991, [13] D.T. Swift-Hool, A.E.F. Gick: Penetration welding with lasers. Welding Journal 52 (11), 1973,

7 80 THE EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON ARC AND MELTING EFFICIENCY OF THE GTAW PROCESS SUMMARY A study was conducted on the arc and melting efficiency of the gas tungsten arc welding process. The application of the flow type calorimeter for the measurement of arc efficiency is described. The experiment compared workpice materials AK 7 (LM 25) and varied arc power and travel speed. Arc and melting efficiency was determined as a function of welding current and travel speed. The fusion geometry parameters was determined as a function of the product of net arc power and travel speed and as a function of energy input per unit fusion length. Recenzował: prof. Stanisław Pietrowski