26/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 WSPÓŁCZYNNIKI TERMICZNE PROCESU GTAW M. MRÓZ 1, A. W. ORŁOWICZ 2, M. TUPAJ 3 Politechnika Rzeszowska Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu parametrów technologicznych na sprawność cieplną i sprawność topienia w procesie kształtowania na powierzchni odlewów ze stopu AK 20 nadtopień z zastosowaniem metody Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). Do oceny sprawności cieplnej procesu zastosowano kalorymetr przepływowy. Stosowano prędkość skanowania łukiem elektrycznym 200, 400, 600 i 800 mm/min, a natężenie prądu wynosiło 100, 150, 200, 250 i 300 A. Z zastosowaniem metody regresji krokowej ustalono związki pomiędzy parametrami procesu technologicznego, a sprawnością cieplną i sprawnością topienia. Key words: AK 20 alloy, GTAW process, calorimeter, arc efficiency, melting efficiency 1. WPROWADZENIE Dla charakterystyki procesu spawania stosowane są dwa współczynniki termiczne, sprawność cieplna (z ang. arc efficency) oraz sprawność topienia (z ang. melting efficency). Sprawność cieplna procesu wskazuje jaka część energii wydzielonej na elektrodzie i w łuku elektrycznym została przejęta przez nagrzewany materiał. Dystrybucję energii w procesie GTAW przedstawiono na rysunku 1 [1]. Główna część energii jest generowana w łuku elektrycznym E, a tylko nieznaczna jej część na elektrodzie E e. Część energii E +e idzie do otoczenia E o, a druga jej część wnika do nagrzewanego elementu. Energia przejęta przez materiał zostaje częściowo zużyta do utworzenia nadtopienia E m, a reszta zostaje zużyta na nagrzewanie materiału 1 Dr inż., mfmroz@prz.rzeszow.pl 2 Prof. Dr hab. inż., aworlow@prz.rzeszow.pl 3 Mgr inż., mirek@prz.rzeszow.pl 217
rodzimego E r. Część tej energii służy do ukształtowania strefy wpływu ciepła. W związku z tym sprawność cieplną procesu opisuje wyrażenie = (E m + E r ) / E +e, natomiast sprawność topienia opisuje wyrażenie m = E m / (E m + E r ). Rys.1. Schematyczne przedstawienie dystrybucji energii w procesie GTAW [1]. Fig.1. Schematic illustration showing the energy distribution in the welding process [1]. Z przedstawionych wyrażeń wynika, że dobór parametrów nadtapiania powinien być prowadzony tak, aby maksymalizować wartość sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia. Optymalizacja powinna być prowadzona tak, aby ograniczać starty energii i minimalizować strefę wpływu ciepła. Znajomość ilości ciepła wydzielonego w łuku elektrycznym oraz przejętego przez nagrzewany materiał jest niezbędna dla modelowania procesu przepływu ciepła. Do oceny sprawności cieplnej procesu stosowane są metody matematycznej analizy wymiany ciepła. W opracowaniach dotyczących ilości ciepła doprowadzonego do powierzchni nadtopionego elementu uzyskane rezultaty, w zależności od przyjętych założeń, różnią się miedzy sobą [2]. Dlatego duże znaczenie mają wyniki badań doświadczalnych. W tym celu wykonuje się pomiary kalorymetryczne [3-7]. Pozwalają one na ocenę sprawności cieplnej procesu, która z kolei jest niezbędna dla oceny sprawności topienia. W literaturze technicznej spotyka się opracowania dotyczące sprawności cieplnej [1,8,9]i sprawności topienia [1,10-12]. Dotyczą one głównie stopów żelaza z węglem. Brak jest natomiast opracowań dotyczących stopów aluminium z krzemem. Niniejsza praca dotyczy określenia wpływu natężenia prądu spawania oraz prędkości skanowania łukiem elektrycznym na sprawność cieplną i sprawność topienia stopu AK 20 w procesie GTAW, a także określenia związku pomiędzy głębokością i szerokością nadtopień, a ilością ciepła pochłoniętego przez nadtopiony obszar. 2. METODYKA BADAŃ Materiał do badań stanowiły odlewy ze stopu AK 20, którego skład chemiczny podaje tabela 1. Wytop prowadzono na bazie stopu wstępnego AlSi20 w postaci gąsek. Po stopieniu metalu zalano piaskowe formy płyt o wymiarach 260x55x15 mm, stosując temperaturę zalewania 740 o C. 218
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Tabela 1. Skład chemiczny stopu AK 20. Table 1. Chemical composition of AK 20 alloy. Zawartość pierwiastków, % wag. Si Mg Mn Cu Fe Ti Cr Al 21,65 0,04 0,02 0,10 0,28 0,020 0,010 reszta Z odlewów wykonano płytki o wymiarach 250x50x15 mm, które następnie nadtapiano powierzchniowo metodą GTAW, w atmosferze helu. Próbki były montowane w kalorymetrze przepływowym, umożliwiającym określenie ilości ciepła przejetgo przez próbkę podczas skanowania jej powierzchni plazmą łuku elektrycznego (rys. 2) [13]. Stosowano natężenie prądu 100, 150, 200, 250 i 300 A oraz prędkość skanowania łukiem elektrycznym 200, 400, 600 i 800 mm/min. Doświadczenie realizowano na ściegach o długości 20 cm. Nadtopienia i badania kalorymetryczne prowadzono przy przepływie gazu ochronnego 20 l/min oraz takim przepływie wody chłodzącej, który gwarantował zanik pęcherzy pary wodnej, na granicy płytka-woda, co obserwowano przez przeźroczyste ścianki kalorymetru. Przepływ wody w kalorymetrze ustalono na poziomie 7,5 l/min. W wyniku badań kalorymetrycznych określono ilość ciepła wprowadzonego do nagrzewanej próbki Q kal. 1 płytka ze stopu AK 20 (the plate of AK 20 alloy) 2 uchwyt z elektrodą wolframową (handle and tungsten electrode) 3 kalorymetr przepływowy (calorimeter) 4 rejestrator temperatury (measurement of temperature) Rys.2. Schemat stanowiska do określania sprawności cieplnej procesu GTAW Fig.2. Diagram of the stand for determination of GTAW process effectiveness. Z płytek po badaniach kalorymetrycznych wycięto próbki w płas zczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej nadtopień i wykonano zgłady metalograficzne, na których zmierzono szerokość, głębokość oraz pole powierzchni nadtopień. Dla obliczenia objętości nadtopień, pole powierzchni przekroju poprzecznego nadtopień mnożono przez ich długość. Sprawność cieplną procesu liczono z zależności: kal. (1) UQ I t 219
gdzie: U jest napięciem łuku elektrycznego, I jest natężeniem prądu, t jest czasem skanowania łukiem elektrycznym. Sprawność topienia liczono z zależności: Vn QH m (2) Q kal. gdzie: V n to objętość nadtopienia, ρ gęstość, Q H jest to ciepło potrzebne do nagrzania jednostkowej objętości stopu z temperatury otoczenia T 1 do temperatury likwidus T 2 oraz jego stopienia: T2 Q H QF c pdt (3) T1 gdzie: Q F jest to ciepło topnienia, c p - ciepło właściwe 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Pomiary kalorymetryczne pozwoliły określić sprawność cieplną i sprawność topienia stopu AK 20 w zależności od parametrów technologicznych procesu GTAW (rys.3 i 4). Sprawność cieplna procesu rośnie ze wzrostem natężenia prądu spawania i maleje ze wzrostem prędkości skanowania łukiem elektrycznym. Dla stosowanych w pracy wartości parametrów procesu technologicznego najwyższa wartość sprawności cieplnej procesu nadtapiania wynosiła η = 0,84 i jest ona zgodna z wynikami prac innych autorów dotyczących sprawności cieplnej procesu GTAW. Giedt i inni [7], DuPont i inni [1] oraz Smart i inni [14] badając sprawność procesu GTAW dla stali uzyskali odpowiednio wartość sprawności cieplnej 0,6, 07 i 0,8. W pracy [12], dotyczącej procesu nadtapiania odlewów z żeliwa ustalono sprawność cieplną procesu GTAW, w zależności od parametrów technologicznych procesu (I w zakresie od 100A do 300A i v s od 200 mm/min do 800 mm/min), w zakresie od 0,40 do 0,68. Sprawność topienia rośnie ze wzrostem natężenia prądu spawania i ze wzrostem prędkości skanowania łukiem elektrycznym. Najwyższa wartość sprawności topienia uzyskana w tej pracy wynosiła η m = 0,58. DuPont i inni [1], Fuersbach i inni [15] oraz Swift-Hool i inni [16] uzyskali odpowiednio wartości sprawności topienia 0,3, 0,46 i 0,37. W pracy [12] dotyczącej procesu nadtapiania odlewów z żeliwa ustalono sprawność topienia w procesie GTAW, w zależności od parametrów technologicznych procesu GTAW (I w zakresie od 100A do 300A i v s od 200 mm/min do 800 mm/min) w zakresie od 0,1 do 0,38. 220
a) b) ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 3. Wpływ natężenia prądu spawania (a) i prędkości skanowania łukiem elektrycznym (b) na sprawność cieplną procesu GTAW. Fig. 3. Arc efficiency as a function of welding current (a) and travel speed (b). a) b) Rys. 4. Wpływ natężenia prądu spawania (a) i prędkości skanowania łukiem elektrycznym (b) na sprawność topienia. Fig. 3. Melting efficiency as a function of welding current (a) and travel speed (b) Z praktycznego punktu widzenia interesujące są zależności pomiędzy ilością ciepła wprowadzonego do obszaru nadtopienia i geometrią nadtopień. Znając sprawność cieplną procesu i sprawność topienia można ocenić ilość ciepła pochłoniętą przez obszar nadtopiony η U I t η m. Wzrostowi ilości tego ciepła odpowiadają wyższe wartości szerokości i głębokości nadtopień (rys.5). 221
a) b) Rys. 5. Szerokość (a) oraz głębokość (b) nadtopień w funkcji ilości ciepła zużytego na utworzenia nadtopień. Fig. 5. The depth (a) and width (b) of the fusion area as a function of the fraction of the net energy input that leads to melting. 4. STWIERDZENIA I WNIOSKI W wyniku badań nad wpływem parametrów technologicznych procesu GTAW na współczynniki termiczne procesu nadtapiania odlewów ze stopu AK 20 stwierdzono, że wzrostowi natężenia prądu spawania odpowiada wzrost sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia. Wzrostowi prędkości skanowania łukiem elektrycznym towarzyszy zmniejszenie sprawności cieplnej procesu i wzrost sprawności topienia. Wartość współczynnika topienia, charakteryzującego udział ciepła zużytego na utworzenie nadtopienia, rośnie ze wzrostem natężenia prądu oraz ze wzrostem prędkości skanowania łukiem elektrycznym. Wraz ze wzrostem wartości tych parametrów maleje szerokość strefy wpływu ciepła. Efektem wzrostu sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia jest wzrost ilości ciepła wprowadzonego do obszaru nadtopień, a tym samym wzrost ich szerokości i głębokości LITERATURA [1] DuPont J.N., Marder A.R.: Thermal efficiency of arc welding process. Welding Research Supplement, 12, 1995, 406-416. [2] Giedt W.H., Tallerico L.N., Fuerschbach P.W.: GTA Welding Efficiency: Calorimetric and Temperature Field Measurements. Welding Journal, 68 (1), 1989, Res. Suppl., 28-32. [3] Glikstein S.S., Friedman E.: Temperature transients in gas tungsten arc weldments. Welding Review, 62 (5), 1983, 72-75. [4] Glikstein S.S., Friedman E.: Weld modeling applications. Welding Journal 63 (9), 1984, 38-42. 222
ARCHIWUM ODLEWNICTWA [5] Friedman E., Glikstein S.S.: An investigation of thermal response of stationary gas tungsten arc welds. Welding Journal, 55 (12), 1976, 408-420. [6] Fuersbach P.W.: Measurement and prediction of energy transfer efficiency in laser beam welding. Welding Journal, 75 (1), 1996, 24-34. [7] Giedt W.H., Tallerico L.N., Fuerschbach P.W.: GTA Welding efficiency: calorimetric and temperature field measurements. Welding Journal, 68 (1), 1989, 28-32. [8] Okada A.: Applications of melting efficiency and its problem. Journal of the Japan Welding Society, 46 (2), 1977, 53-61. [9] Katsaounis A.: Heat flow and arc efficiency at high pressure in argon and helium arcs. Welding Journal 72 (12), 1993, 447-454. [10] Wells A.A.: Heat flow in welding. Welding Journal 31(5), 1952, 263-267. [11] Niels R.W., Jackson C.E.: Weld thermal efficiency of the GTAW process. Welding Journal Res. Suppl., January, 1975, 25-32. [12] Orłowicz W., Trytek A.: Suscebility of iron castings to heat absorption from an electric arc and to hardened-layer shaping. Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 30A, December, 2003, 2973-2984. [13] Orłowicz W., Mróz M., Trytek A.: Heating efficiency in the GTAW process. Acta Metallurgica Slovaca, No 2, 1999, 539-543. [14] Smart H.B., Stewart J.A., Einerson C.J.: Heat transfer on gas tungsten arc welding. Proc. ASM Int. Welding Congres ASM, 1985, 8511, 017. [15] Fuersbacg P.W., Khnorowski G.A.: A study of welding efficiency in plasma arc and gas tungsten arc welding. Welding Journal, 70, 11, 1991, 287-297. [16] Swift-Hool D.I., Gick A.E.F.: Penetration welding with lasers. Welding Journal, 52, 11, 1973, 492-499. 223
THERMAL COEFFICIENTS OF GTAW PROCESSES SUMMARY In this work the effect of the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW ) process parameters on the arc efficiency and melting efficient was presented. A through-flow calorimeter was employed for thermal measurements. The surface fusion process was performed in argon atmosphere under varied electric arc travel speed (v s =200, 400, 600 and 800mm/min) and current intensity (I = 100, 150, 200, 250 and 300A). Relationships between GTAW process parameters and total heat content of the weld sample, as well as heat input that leads to melting of the weld volume were defined. Pracę wykonano w Politechnice Rzeszowskiej w ramach umowy U 6583/DS. Recenzował: prof. dr hab. inż. Franciszek Binczyk 224