Władysław ORŁOWICZ, Andrzej TRYTEK Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów

Transkrypt

1 43/46 Slidificatin f Metais and Allys, Year 2000, Vlume 2, Bk N. 43 Krzepnięcie Metali i Stpów, Rk 2000, Rcznik 2, Nr 43 PAN -Katwice PL ISSN SPRA WNOŚĆ CIEPLNA PROCESU GTA W PRZY NADT APIANIU ODLEWÓW Z ŻELIW A Władysław ORŁOWICZ, Andrzej TRYTEK Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Plitechnika Rzeszwska, ul. W. Pla 2, Rzeszów l. Wstęp O prdukcji spawalniczej trzecieg tysiąclecia będzie decydwać wydajnść i jakść prcesu przy równczesnej dbałści chrnę śrdwiska. Pdstawwymi metdami spawania będą nadal metdy łukwe a szczególnie metdy wyskenergetyczne [I]. Dla pprawy wydajnści dsknalne są urządzenia, pracwuje się nwe materiały ddatkwe, mieszanki gazów chrnnych i tpniki. Pdstawwym czynnikiem zapewniającym jakść złącza jest dbór i mnitrwanie energii liniwej łuku elektryczneg. Dkładna znajmść ilści ciepła dstarczneg przez łuk elektryczny d nagrzewaneg bszaru jest pdstawą pracwania prawidłwej technlgii rbót spawalniczych. Matematyczne pracwanie teg zagadnienia jest mżliwe dpier p dstarczeniu wiarygdneg materiału dświadczalneg dtycząceg rzeczywistej i l ści ciepła dstarczneg d nagrzewaneg bszaru dlewu, gemetrii przetpień i struktury materiału krzepnąceg w warunkach gwałtwnej krystalizacji. W związku z tym że niecał a ilść ciepła wytwrzneg w łuku elektrycznym jest przejmwana przez nagrzewany detal wprwadzn pjęcie sprawnści cieplnej 11 która jest ilrazem wartści ciepła przejęteg przez detal d wartści ciepła pwstałej w łuku elektrycznym. Prces GT A W schematycznie przedstawia rysunek l. W prcesie GT A W łuk jarzy się pmiędzy elektrdą wlframwą (katdą) a brabianym przedmitem (andą). Między katdą i andą przepływa strumień elektrnów i zjnizwanych cząstek gazów. W efekcie ddziaływania sił pla elektryczneg w łuku występuje siła ciągu plazmy. Na siłę ciągu wywiera wpływ rdzaju stswanej atmsfery gazwej. Cięższy argn daje większą siłę ciągu w prównaniu d lżejszeg helu. Ze wzrstem natężenia prądu spa wania rśnie temperatura w łuku elektrycznym czemu dpwiada wzrst przewdnści cieplnej i elektrycznej raz bniżenie gęstści plazmy. Sprzyja t wzrstwi szybk_ści strumienia plazmy raz strumienia elektrnów. Średnica słupa łuku pwiększa się. Rśnie strumień ciepła przenszny d andy. Wzrasta również ciśnienie łuku wywie-

2 410 katrxla ( ) straty straty radlacyj"e rad~j"e l parwania \ ' \ anda(+) straty l kcnwekcyj"e (mm) 2,32 4,65 6,97 8,30 <mm) 8,30 w V. N "' "'... b 1= K 2~ K 3= K 4= K 5= K 6= K 7= K.w )g N "' "'... b 1= K 2= K 3= K 4= K 5= K 6= K 7=22 K ~ i "' ~! j; 100 A i! ~ "' "' ~ -:.. "' 200A Fig. l. Diagram f phenmena ccurring d u ring GT A W prcess- a [ 4]. Temperature distribulin in 6.3mm ln g electric arc at l OOA and 200A- b[s] rane na nagrzewany bszar andy. W efekcie dstarczania d andy energii cieplnej pdwyższa się temperatura jej pwierzchni i twrzy się jezirk ciekłeg metalu. Według [6) temperatura pwierzchni jezirka na próbce stalwej przy nagrzewaniu łukiem elektrycznym w atmsferze gazwej przy zastswaniu prądu spawania natężeniu 300 A stabilizuje się już p upływie 0,4 s i siąga wartść 2830 C. Objętść jezirka będzie się pwiększać d czasu gdy ilść dstarczneg ciepła zrównważy się ze stratami wskutek przewdnści, knwekcji, parwani i prmieniwania. Przy becnym stanie wiedzy zakłada się, że przepływ ciepła w jezirku ciekłeg metalu sterwany jest przez siły termkapilarne, elektrmagnetyczne i wyprnściwe. Ruch termka-

3 411 pilarny jest uzależniny d napięcia pwierzchniweg u i temperatury pwierzchni T. W zależnści d wartści 8u/OT zmieniać się będzie gemetria przetpienia (5, 6]. Z drugiej strny isttna jest szybkść przemieszczania pwierzchni, która wywiera wpływ na wyrównanie się temperatury. Knwekcja decyduje kształcie jezirka spawalniczeg. Dtychczas pracwane mdele matematyczne skutecznści prcesu GTA W są mał dkładne c wynika z braku danych dświadczalnych. Dlateg celem niniejszej pracy był kreślenie przy zastswaniu metdy kalrymetrycznej sprawnści cieplnej prcesu OT A W przy nadtapianiu dlewów żeliwnych. 2. Badania 2.1. Materiał d badań Badania wyknan na niestpwym żeliwie sferidalnym (3,49% C, 2,3% Si, 0,66% Mn, 0,01% Ni, 0,17% Cu, 0,039% P, 0,019% S, 0,084% Mg) trzymanym w żeliwiaku. Odlewy wyknan w pstaci płyt wymiarach 300 x 200 x 20 mm. Z dlewów wycięt próbki wymiarach 21 O x 50 x l O mm Wyknanie przetpień Przetpienia płytek żeliwnych wyknan metdą OT A W stsując natężenie prądu I = 50.;-300 A, prędkść przemieszczania łuku elektryczneg vs = mm/min. Przetpienia wyknan elektrdą wlframwą (z ddatkiem tru) średnicy 0 2,4 mm, w atmsferze argnu. Przetpienia realizwan na stanwisku wypsażnym w kalrymetr. Metdykę pmiaru i schemat stanwiska badawczeg pdan w pracy [8] Badania gemetrii przetpień Z przetpinych płytek wycięt próbki w kierunku prstpadłym d si wzdłużnej przetpień. Na próbkach zmierzn szerkść i głębkść raz bliczn ple pwierzchni przekrju pprzeczneg przetpień. 3. Wyniki badań Wartść ciepła wydzielneg w łuku elektrycznym Q bt.. ilść ciepła przejęteg przez nagrzewany dlew Qk raz wartść sprawnści cieplnej 11 prcesu przetapiania niestpweg żeliwa sferidalneg w atmsferze argnu przedstawin w tablicy l. Wykreślne przedstawienie wyników wartści ciepła i sprawnści cieplnej brazuje rysunek 2.

4 412 Table l. Results f the thermal efficiency investigatin cncerning GT A W prcess carried-ut in argn atmsphere Lp. Parametry przetapiania Wartść ciepła Sprawnść I, A vs, mm/min Qbl. kj Qk' kj T], / l s ,7S 20, ,0 44, ISO ,S 73,493 7S ,0 106, s 2SO ,S 141, ,S 191, s 400 ll,s 7, ,0 1S, lso ,0 26, S6,0 38, SO 400 7S,O s l,44s ,0 69, ,75 2, ,0 6, ,5 11, ,0 16, ,5 22, ,5 29, ,875 1, ,0 2, ,75 3, ,0 5, ,75 7, ,75 10,761 43

5 413 Fig.2. Relatinship between welding speed, current and: a) the calculated heat, b) the heat received by the ally spheridal cast irn plate remelted in argn atmsphere, c) the arc efficiency Wyniki pmiarów gemetrii i pla pwierzchni przekrju przetpienia w płaszczyźnie prstpadłej d si wzdłużnej ściegu przetpienia przedstawin w tablicy 2. Na rysunku 3 przedstawin wykreślnie wyniki pmiarów gemetrii i pla pwierzchni przekrju pprzeczneg przetpienia w zależnści d natężenia prądu spawania i prędkści przemieszczania łuku elektryczneg w atmsferze chrnnej argnu.

6 414 Table 2. The gemetry and surface area f fusin run/bead in perpendicular piane t i ts lnqitudinal axis P Lp. : Parametry przetapiania Gemetria przetpień p I, A Vs, mm/min s, mm h, mm mm 2 l ,6 0,5 0, ,6 1,8 4, ,2 2,5 8, Ił,4 2,8 19,72 h ,2 0,2 0, ,9 1,3 2, ,2 1,8 5, ,2 10, ,8 0,1 0, ,6 1,1 2, ,6 1,5 4, , ,6 0,1 0, ,1 0,8 1, ,3 1,3 3, ,9 1,8 6,31 s 3. Pdsumwanie W badanym zakresie parametrów prcesu przetapiania niestpweg żeliwa sferidalneg (3,49% C, 2,3% Si, 0,66% Mn, 0,01% Ni, 0,17% Cu, 0,039% P, 0,019% S, 0,084% Mg) w prcesie GT A W stswan elektrdę wlframwą (z ddatkiem tru) średnicy 0 2,4 mm. Prędkść przemieszczania łuku elektryczneg wynsiła v. = 200, 400, 600, 800 mm/min. Prąd spawania zmienian w granicach I= A. Całkwity dpływ ciepła wahał się w zakresie d l,05 d 191 kj. W parciu uzyskane wyniki badań stwierdzn że: najwyższą sprawnść cieplną prcesu 11 = 75% uzyskan stsując natężenie prądu l= 300 A i prędkść przemieszczania łuku elektryczneg v 5 = 200 mm/min, najniższą sprawnść cieplną prcesu 11 = 37% uzyskan stsując natężenie prądu l = 50 A i prędkść przemieszczania łuku elektryczneg Vs = 800 mm/min,

7 415 Fig. 3. Relatinship between welding speed, current and: a) bead width, s in lw ally spheridal cast irn, b) penetratin, h in lw ally spheridal cast irn, c) surface area f fusin run/bead in perpendicular piane t its lngitudinal axis P największą głębkść, szerkść i ple pwierzchni przekrju pprzeczneg ściegu uzyskan stsując natężenie prądu I = 300 A i prędkść przemieszczania łuku elektryczneg v 5 = 200 mm/min czyli dla przypadku największej sprawnści cieplnej, najmniejszą głębkść, szerkść i ple pwierzchni przekrju pprzeczneg uzyskan stsując natężenie I = 50 A i prędkść przemieszczania łuku elektryczneg V s= 800 mm/min czyli dla przypadku najmniejszej sprawnści cieplnej, wzrst natężenia prądu i zmniejszenie prędkści przemieszczania łuku elektryczneg dpwiada wzrstwi głębkści, szerkści i pla pwierzchni przekrju pprzeczneg przetpienia. Uzyskane wyniki badań mżna wytłumaczyć faktem że przepływ strumienia ciepła i knwekcja w jezirku ciekłeg metalujest ważna z punktu widzenia penetracji jezirka. Pnieważ knwekcja wzmacnia wymianę ciepła t w przypadku małych wymiarów jezirka w stsunku d średnicy słupa łuku, c bserwuje się przy szybkim przemieszczaniu łuku elektryczneg i przy małych natężeniach prądu, czynnik ten nie mże być w pełni wykrzystany.

8 416 Literatura [l] Pilarczyk J.: Spawalnictw w trzecim tysiącleciu. Przegląd spawalnictwa nr l, 2000, s [2] Weallens J.W., Allen B.: Effect f prcess variabies in TIG welding. Welding And Metal Fabricatin, May 1969, p [3] Lundin C.D., Ruprecht W.J.: The effect f shield additins n the penetratin characteristics f plasma arc welds. Welding Research Suplement. Welding Jurnal, January 1977, p [4] Ch R.T., Szekely J.: The effect f gas shear stress n Marangni flws in arc welding. Welding Research Suplement. Welding Jurn~l, Septernber 1991, p [5] Ch R. T., Szekely J., Westhff R. C.: On the caleulatui n f the free surface temperature f GT A W pls frm first principles: Part I. Mdeling the we l d arc. Metallurgical Transactins B, Vl. 23B, June 1992, p [6] Subth Kumar, Bhaduri S.C.: Three-dimensinal finite element madeling f Gas Metai-Arc welding. Metallurgical and Materials Transactins B, Vl. 25B, p [7] Zacharia T., David S.A., Vitek J.M., Kraus H. G.: Cmputatinal madeling f statinary Gas-Tungsten-Arc weld pls and cmparisn t stainless Steel 304 experimental results. Metallurgical Transactins B, Vl. 22B, Aprill991, p [8] Orłwicz W., Mróz M., Trytek A.: Wydajnść cieplna w prcesie GTA W. Acta Metallurgica Slvaca nr 2/1999, s Pracę wyknan w ramach prjektu badawczeg Nr 7 T08C O l O 17 finanswaneg przez Kmitet Badań Naukwych. Recenzent: Edward Guzik