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 0208-9386 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, 357959 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-
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=10 000 K 2~12 000 K 3=14 000 K 4=16 000 K 5=18 000 K 6=20 000 K 7=22 000 K.w )g N "' "'... b 1=10 000 K 2=12 000 K 3=14 000 K 4=16 000 K 5=18 000 K 6=20 000 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-
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. 2.2. Wyknanie przetpień Przetpienia płytek żeliwnych wyknan metdą OT A W stsując natężenie prądu I = 50.;-300 A, prędkść przemieszczania łuku elektryczneg vs = 2007800 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]. 2.3. 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.
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 200 28,7S 20,998 73 2 100 200 60,0 44,621 74 3 ISO 200 97,S 73,493 7S 4 200 200 140,0 106,302 76 s 2SO 200 187,S 141,736 76 6 300 200 247,S 191,606 77 7 s 400 ll,s 7,349 64 8 100 400 24,0 1S,748 66 9 lso 400 39,0 26,247 67 10 200 400 S6,0 38,321 68 11 2SO 400 7S,O s l,44s 69 12 300 400 99,0 69,293 70 13 50 600 5,75 2,887 50 14 100 600 12,0 6,562 55 15 150 600 19,5 11,024 57 16 200 600 28,0 16,273 58 17 250 600 37,5 22,048 59 18 300 600 49,5 29,922 60 19 50 800 2,875 1,05 37 20 100 800 6,0 2,362 39 21 150 800 9,75 3,937 40 22 200 800 14,0 5,774 41 23 250 800 18,75 7,874 42 24 300 800 24,75 10,761 43
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.
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 50 200 2,6 0,5 0,83 2 130 200 4,6 1,8 4,6 3 210 200 6,2 2,5 8,51 4 300 200 Ił,4 2,8 19,72 h 5 50 400 2,2 0,2 0,29 6 130 400 3,9 1,3 2,95 7 210 400 5,2 1,8 5,39 8 300 400 8 2,2 10,67 9 50 600 1,8 0,1 0,12 10 130 600 3,6 1,1 2,35 11 210 600 4,6 1,5 4,04 12 300 600 6 2 6,98 13 50 800 1,6 0,1 0,11 14 130 800 3,1 0,8 1,52 15 210 800 4,3 1,3 3,33 16 300 800 5,9 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= 50---300 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,
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.
416 Literatura [l] Pilarczyk J.: Spawalnictw w trzecim tysiącleciu. Przegląd spawalnictwa nr l, 2000, s. 2-7. [2] Weallens J.W., Allen B.: Effect f prcess variabies in TIG welding. Welding And Metal Fabricatin, May 1969, p. 208-213. [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. 1-7. [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. 223-233. [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. 357-369. [6] Subth Kumar, Bhaduri S.C.: Three-dimensinal finite element madeling f Gas Metai-Arc welding. Metallurgical and Materials Transactins B, Vl. 25B, p. 435-441. [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. 243-257. [8] Orłwicz W., Mróz M., Trytek A.: Wydajnść cieplna w prcesie GTA W. Acta Metallurgica Slvaca nr 2/1999, s. 539-543. Pracę wyknan w ramach prjektu badawczeg Nr 7 T08C O l O 17 finanswaneg przez Kmitet Badań Naukwych. Recenzent: Edward Guzik