Применение ультразвуковой обработки при очистке поверхности присадочной проволоки для аргонодуговой сварки

Статья опубликована в журнале «Сварочное производство», № 2, 2012 г.

УДК 621.9.048.6

Г. В. Дубинин, канд. техн. наук, М. В. Мишин, инж., П. И. Факеев, инж., В. Ю. Ханыгин, инж. (ОАО НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, Москва),
Д. А. Красильников, инж., Н. М. Лебедев, инж. (ООО «Александра-Плюс», Вологда)

Приведены результаты исследования влияния ультразвукового воздействия на качество очистки присадочной проволоки из различных материалов. Описан базовый технологический процесс очистки присадочной проволоки для аргонодуговой сварки особо ответственных изделий.

Research results of influence of the ultrasonic effect on the quality of cleaning of an additional wire of different materials are covered. The basic technological process of cleaning of an additional wire for argon-arc welding of especially responsible products is described.

Ключевые слова: присадочная проволока, аргонодуговая сварка, ультразвуковая очистка

Key words: additional wire, argon-arc welding, ultrasonic cleaning

Известно, что основным фактором, влияющим на наличие различных включений и пористость сварного шва, является чистота поверхности как свариваемых кромок, так и присадочной проволоки. С этой точки зрения особые требования предъявляют к сварным соединениям и наплавке ответственных изделий со сварными швами категории IН и IЭ, (РД 5.95055—90, ПК АЭ Г-7-010.89). Причем следует отметить, что при сварке изделий большой толщины площадь поверхности присадочной проволоки может превышать площадь поверхности свариваемых кромок в 100 и более раз.

Очистка поверхности металлических изделий может осуществляться разными способами. К наиболее распространенным технологическим методам следует отнести [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]:

  • химическое и электрохимическое травление;
  • обработку в расплавах щелочей;
  • термическую обработку в вакууме или защитной атмосфере;
  • ультразвуковую обработку;
  • ионно-плазменную (тлеющий или вакуумно-дуговой разряд) обработку.

Первые два технологических процесса приводят, как правило, к газонасыщению присадочной проволоки. Кроме того, данные процессы требуют специальных разрешений СЭС. Для осуществления третьего процесса при очистке активных по отношению к газам металлов требуется как высокий вакуум (не более 0,013 Па), так и, что самое главное, крайне малое натекание в вакуумную систему (J ≤ 0,5 Па⋅дм²/с). Кроме того, следует учитывать и возможный отжиг присадочной проволоки с потерей ее механических свойств.

Пятый способ является по общему признанию наиболее эффективным, однако его применение ограничивается высокой стоимостью оборудования, а также сложностью самого технологического процесса, что требует высокой квалификации оператора.

Согласно РД 5.95055—90, для очистки присадочной проволоки из титановых сплавов рекомендуются следующие составы, приведенные в табл. 1.

Таблица 1
Номер по порядку Компонент раствора Концентрация компонентов, г/л
1 Синтанол (ТУ 6.14-577) или синтамид (ТУ 6.02-660) 5—10
Тринатрийфосфат (ГОСТ 201) 30—35
Вода питьевая (ГОСТ 2874) Остальное
2 Тринатрийфосфат (ГОСТ 201) 10—20
Сода кальцинированная (ГОСТ 5100) 10—20
Натр едкий (ГОСТ 2263) 20—40
Вода питьевая (ГОСТ 2874) Остальное
3 Синтанол ДС-10 (ТУ 6.14-577) 10—15
Вода питьевая (ГОСТ 2874) Остальное

Кроме того, для очистки присадочной проволоки из титановых сплавов возможен следующий технологический процесс. Очистка в растворе: 30—40 % кислоты азотной (ГОСТ 4461—77), 3,5—6 % кислоты HF (ГОСТ 10484—78) и остальное — вода питьевая (ГОСТ 2874—82).

Очистку проводят при температуре 18—25 °C в течение 10 мин. Затем обязательна промывка в проточной горячей и холодной дистиллированной воде в течение 5—7 мин.

К основным недостаткам указанных технологических процессов следует отнести:

  • рекомендуемые моющие средства требуют составления из различных компонентов;
  • возможность наводороживания поверхности присадочной проволоки;
  • сложность удаления остатков моющих средств с поверхности присадочной проволоки.

Ультразвуковая обработка (УЗО) в водных средах по общему признанию является эффективным способом удаления технологических загрязнений с поверхности практически всех материалов — металлов, сплавов, керамики, ситаллов, стекол и др.

В настоящее время опубликовано большое количество работ, посвященных технологии ультразвуковой очистки поверхности различных изделий. Однако работ, касающихся подготовки поверхности присадочной проволоки для последующей аргонодуговой сварки соединений категорий I и IН, практически нет.

К недостаткам технологического процесса УЗО следует отнести[9]:

  • принципиальную возможность наводороживания за счет интенсификации практически всех химических реакций (H + H → H2; H2O → HO + H; 2H2O → H2O2 + H2) в ультразвуковой ванне, протекающих вследствие высоких давлений (до 2000 атм) и электрических полей (до 6⋅104 В/м), возникающих при схлопывании кавитационных пузырьков[8] [9] [10];
  • возможность увеличения шероховатости поверхности;
  • крайне высокую зависимость эффективности УЗО от физико-химических свойств моющей жидкости.

Данная работа посвящена вопросам разработки технологических процессов УЗО с применением современных технологических моющих средств (ТМС) присадочной проволоки различной номенклатуры для последующей аргонодуговой и лазерной сварки особо ответственных изделий.

В качестве объекта исследования использовали присадочную проволоку из:

  • аустенитных коррозионно-стойких сталей Св-04Х19Н11МЗ, Св-04Х19Н10Г2Б, Св-10Х16Н25АМ6;
  • углеродистой стали Св-08Г2С;
  • титановых сплавов Св-2В, Св-ПТ7-М, Св-ВТ6с.

Диаметр присадочной проволоки 1,2—5 мм.

Ультразвуковую обработку поверхности присадочной проволоки проводили на установках, основные технические данные которых приведены в табл. 2.

Таблица 2
Установка, изготовитель Состав установки УЗ излучатели Рабочий объем, дм³
Количество Суммарная мощность1, кВт Частота, кГц
УЗВ-35/ТН, «РЭЛТЕК» Ванна УЗ очистки 9 1,5 20,35—48,4 35
УЗВ-7-Н-Т, ООО «Александра-Плюс» 7 3,5 22 ± 1,65 50
МО-1.00.00.00, ООО «Александра-Плюс»2 Ванна подготовки моющего раствора 7,0 40
Ванна УЗ очистки 22 ± 1,65 8
Ванна ополаскивания 2 22 ± 1,65 4
МО-77, ООО «Александра-Плюс» Ванна подготовки моющего раствора 11 90
Ванна УЗ очистки 9 22 ± 1,65 35
УЗВ-2.2, ООО «Александра-Плюс» 2 1,2 22 ± 1,65 9
1 Суммарная мощность установки включает мощность УЗ генераторов, нагревательных элементов, насосного оборудования и приводов.
2 Установка позволяет производить очистку присадочной проволоки длиной до 200 м и диаметром до 2 мм.

Контроль качества очистки поверхности присадочной проволоки осуществлялся следующими методами:

  • визуальным, с увеличением ×400;
  • разрыва водяной пленки[10];
  • измерения pH на приборе «Экотест-2000» во всех УЗ ваннах;
  • газового анализа на приборе ONH-2000 (определение концентрации O2, N2, H2);
  • наплавки, которую проводили в выфрезерованный паз размером 200 × 12 × 2 мм на образцах размером 300 × 100 × 15 мм за 10 проходов ручной аргонодуговой сваркой при пониженном (I ≈ 120—150 A) сварочном токе с последующим рентгенографированием на установке РАП 300-150 и выявлением пор в сварном шве;
  • определение шероховатости на профилометре 283 при исходном параметре Ra = 0,32 мм.

В качестве моющих жидкостей выбрали ТМС (кислотного, щелочного и нейтрального характера), выпускаемые фирмами «Кемилайн», НПО «Технобиор», ООО «Технология чистоты», ЗАО «Промос», а также для сравнения моющие средства, приведенные в табл. 1.

Ввиду того, что мощность, частота и амплитуда ультразвуковой энергии в применяемых установках жестко регламентированы, основные варьируемые параметры в ходе экспериментов — вид и концентрация ТМС, температура УЗО (T = 20—70 °C), время УЗО (t = 10—60 мин).

В ходе отработки технологии очистки на УЗ установках установили следующее:

  • УЗО не приводит к наводороживанию (содержание H2 в присадочной проволоке из титановых сплавов после УЗО не превышает 0,002 %, что допустимо (ГОСТ 27265—87) и в пределах ошибки измерения не превышает исходного значения);
  • вид загрязнения и его прочность сцепления с поверхностью присадочной проволоки в значительной степени зависят от технологии завода- изготовителя;
  • загрязнения крайне неравномерно распределены по длине присадочной проволоки (особенно это заметно при очистке бухт присадочной проволоки длиной не менее 10 м);
  • кроме загрязнений от смазочного материала (например графитовой смазки) на поверхности присадочной проволоки могут быть значительные механические повреждения (царапины, риски и др.), в которых в основном и скапливаются остатки смазки;
  • на поверхности присадочной проволоки кроме остатков смазочного материала присутствуют оксиды, наличие которых можно объяснить несовершенством (или несоблюдением) процесса дегазации присадочной проволоки на заводе-изготовителе.

Исходя из этого, технологические параметры очистки присадочной проволоки (тип, концентрация, температура ТМС, а также время УЗО) в зависимости от величины и вида ее загрязненности изменяются в значительных пределах.

Результаты исследования позволили отработать базовые технологические процессы, позволяющие осуществлять качественную очистку поверхности присадочной проволоки из указанных выше материалов, которые в основном заключаются в очистке в кислотном растворе 1,5 ≤ pH ≤ 3, очистке в щелочном растворе 9 ≤ pH ≤ 12, промывке в дистиллированной воде 6,0 ≤ pH ≤ 7,0.

Суммарное время обработки присадочной проволоки в зависимости от ее загрязненности может варьироваться от 5 до 40 мин.

Кроме того, при выборе того или иного технологического процесса следует учитывать тот факт, что ТМС (совместно с ультразвуковыми колебаниями) воздействуют не только на очищаемый материал, но и на корпус ванны и поверхность УЗ излучателей. При этом последняя подвергается интенсивной коррозии, выражающейся в появлении на ее поверхности «звездообразных фигур» и, следовательно, в утонении самой мембраны УЗ излучателя.

Другой важной характеристикой качества очистки поверхности присадочной проволоки является срок ее хранения после УЗО. Например, согласно РД 5.95055—90, срок хранения после очистки до использования в сварочном процессе присадочной проволоки из титановых сплавов 48 ч.

Отработанные технологические режимы присадочной проволоки вышеуказанной номенклатуры позволяют длительное время сохранять качественную поверхность. В частности, срок хранения присадочной проволоки из углеродистой стали, титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей после УЗО до начала сварочных работ составляет не менее 72 ч, 3 и 6 мес. соответственно.

Таким образом, внедрение технологического процесса подготовки поверхности присадочной проволоки с использованием УЗО и современных ТМС позволило, во-первых, значительно улучшить качество очистки при сокращении как времени обработки, так и количества занятого на этой работе персонала по сравнению с рекомендуемой обработкой (РД 5.95055—90). Особо следует учесть, что используемые в работе ТМС имеют соответствующие сертификаты по пожарной и экологической безопасности. Последнее, несомненно, привело к улучшению условий труда, а также решило вопросы пожарной и экологической безопасности производства.

Список литературы

  1. ^ Фролов В. В., Харитонова Л. К., Ермолаева В. И. Подготовка поверхности металлических изделий для последующих технологических операций: Учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1990. 49 с.
  2. ^ Вертеш М. Н. Виды загрязнений, их расположение на поверхности и технология очистки металлических и стеклянных деталей для сверхвысокого вакуума. Дубна: Объединенный институт ядерных исследований, 1989. 8 с.
  3. ^ Еретнов К. И., Лебедев С. В. Процессы нагрева и очистки поверхности металлов в электролите и их практическое использование. Липецк, 1997. 152 с.
  4. ^ Буйновский А. С., Софронов В. Л. Очистка веществ методом сублимации и десублимации: Учеб. пособие. Томск: Томский политехнический институт им. С. М. Кирова, 1989. 94 с.
  5. ^ Булат В. Е., Эстерлис М. Х. Очистка металлических изделий от окалины, оксидной пленки и загрязнений электродуговым разрядом в вакууме // Физика и химия обработки материалов. 1987, № 3. С. 49—53.
  6. ^ Оптимизация режимов экспериментальной установки электродуговой вакуумной очистки проволоки / В. И. Криворотов, А. Г. Трояножко, В. Л. Чабан, Д. И. Якушев // Вестник технологии судостроения. 2000. № 6. С. 23—35.
  7. ^ Воронцов Е. С. Кинетика очистки поверхности титана от окисных пленок в условиях вакуума // Сварочное производство. 1973 № 6. С. 5.
  8. 1 2 Большаков Л. А. Кинетика и оптимизация ультразвукового обезжиривания поверхности титана // Химия и химическая технология. 2002. Т. 45. Вып. 5. С. 81—84.
  9. 1 2 3 Физические основы ультразвуковой техники / Под ред. Л. Д. Розенберга. М.: Наука, 1970. 685 с.
  10. 1 2 3 Богатырев А. Е. Производственные методы контроля чистоты деталей ИЭТ // Обзоры по электронной технике. Сер. Технология, организация производства и оборудование. М.: Институт «Электроника», 1989. Вып. 3 (1432). 43 с.
  11. ^ ОСТ В5395118—2001