Wpływ warunków napawania tulei na jej odkształcenia

(1)

ZESZYTY NAUKO','IE POLITECHNIKI ŚLISKIEJ Seria: MECHANIKA z.78

Jerzy DZIUBIŃSKI,Zdzisław BULSKI Instytut Metaloznawstwa i Spawalnictwa Zakład Spawalnictwa

Politechniki Śląskiej

WPŁYW WARUNKÓW NAPAWANIA TULEI NA JEJ ODKSZTAŁCENIA

Streszczenie. Wyznaczono wpływ warunków napawania cienkościennych tulei, wykoneinych ze stali niskowęglowej, na powstawanie odkształceń spawalni

czych. Stosowano napawanie w osłonie C02 i łukiem krytym. Ustalono warun

ki napawania tulei, gwarantujące otrzymanie minimalnych odkształceń w procesie regeneracji.

WPROWADZENIE

Odkształcenia przedmiotów cylindrycznych występują wskutek naprężeń, spowodowanych nierównomiernym nagrzewaniem w procesie napawania i rozsze

rzaniem się oraz kurczeniem metalu pod wpływem cyklu cieplnego. Odkształ

cenia pod wpływem tych zjawisk są wywołane zmianami stanu fizycznego ma

teriału i w odróżnieniu od odkształceń wywołanych siłami zewnętrznymi określa się je Jako odkształcenia własne. Wielkośó odkształceń przy napa

waniu określonego przedmiotu zależy od trzech zasadniczych czynników:

- ilości ciepła jaka została wprowadzona do metalu w procesie napawania, - rozkładu tego ciepła w masie metalu w funkcji czasu,

- sztywności napawanego przedmiotu, własnej lub sztucznie wywołanej.

Zasadniczy wpływ na ilośó ciepła wytworzonego w łuku elektrycznym w procesie napawania, a tym samym na wielkośó odkształceń ma energia li

niowa łuku zależna od natężenia prądu i szybkości napawania, przy czym im większa energia liniowa łuku tym większe odkształcenia [1, 2].

Rozkład temperatury zależny jest od grubości ścianki napawanej tulei oraz od parametrów napawania. Przy napawaniu tulei o grubości ścianki do 20 mm przyjmuje się w uproszczeniu, że rozkład temperatury kształtuje się jak na powierzchni cienkiej płyty, a o grubości powyżej 20 mm, jak w cie

le masywnym [3+5].

Sztywność własna przedmiotu cylindrycznego związana jest z jego wymia

rami średnicą, długością oraz grubością ścianki . Gdy długość przedmio

tu jest niewielka w stosunku do jego średnicy wtedy odkształcenia w pos

taci wygięcia są znikome. Natomiast grubość ścianki oraz średnica tulei ma wpływ na powstawanie odkształceń w postaci zmiany kształtu kołowości, przy czym im mniejsza średnica i większa grubość ścianki, tym odkształ

cenia te są mniejsze. Przedmioty o grubości ścianki poniżej 3 mm o du

żych średnicach są podatne na odkształcenia związane z utratą statecz

ności, co_ ujawnia się w postaci wybrzuszeń i zwichrowań. Wpływ stopnia _______ 1983

Nr kol. 7o2

(2)

50 J. Dziubiński, Z. Bulski

oraz sposobu utwierdzenia na wartość odkształceń pozostających, powsta

łych w wyniku napawania przedmiotów cylindrycznych, uwidacznia się w postaci powstawania w masie metalu przedmiotu napawanego naprężeń reak

cyjnych, które mogą być w pewnych przypadkach źródłem powstawania odksz

tałceń [6-»-8].

Ponadto, na wielkość odkształceń napawanych elementów cylindrycznych, oprócz wyżej wymienionych wielkości, mają wpływ czynniki decydujące o i- lości wprowadzonego ciepła a więc odległość końca elektrody od napawanej powierzchni, biegunowość i średnica elektrody.

CEL I ZAKRES BADAŃ

*

Przeprowadzenie badań miało na celu wyznaczenie wpływu warunków napa

wania cienkościennych tulei, wykonanych ze stali niskowęglowej, na pows

tawanie odkształceń spawalniczych w wyniku nakładania warstwy napotny w osłonie CC>2 i tukiem krytym oraz ustalenie warunków napawania, gwarantu

jących otrzymanie minimalnych odkształceń tulei w procesie regeneracji.

W czasie napawania zmieniano natężenie prądu, średnicę elektrody, szybkość napawania. Ponadto w przypadku napawania tulei w osłonie' C02 stosowano napawanie ciągłe i z przerwami oraz napawanie ściegiem prostym i zakosowym a także napawanie na powierzchniach zewnętrznych oraz obu

stronnie. Pomiary odkształceń obejmowały:

- pomiar niekołowości (owalność) , - pomiar nlewalcowości ( wygięcie) ,

- pomiar nierównoległości powierzchni czołowych tulei [bicie wzdłużne) (rys.1) .

PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ

Próby napawania przeprowadzono na tulejach o wymiarach 0 210x100x10 mm wykonanych ze stali R 35 wg BN-75/0631-01. Przed obróbką wykańczającą tuleje były wyżarzone odprężająco w celu usunięcia naprężeń własnych.

Podczas napawania tuleje mocowane były na tarczy obrotnika 0M4-1000 w sposób umożliwiający swobodne ich odkształcenie w wyniku zmian tempera

tury.

Napawanie w osłonie C02 prowadzono przy użyciu półautomatu MAGP0L 400 z uchwytem zamocowanym nieruchomo nad napawaną tuleją. Stosowano drut elektrodowy SpG331 o średnicy 1,2 i 1,6 mm wg PN-77/M-69420. Napawanie prowadzono w sposób umożliwiający uzyskanie poprawnie uformowanych napo- in o grubości nie mniejszej niż 2 mm. W trakcie prób zmieniano natężenie prądu, średnicę drutu elektrodowego, i prędkość napawania. Ponadto prze

prowadzono próby napawania z przerwami umożliwiającymi obniżenie tempe

ratury próbki (tuleje nr 5,11 i 17) oraz napawanie z zastosowaniem pop

rzecznych ruchów elektrody (tuleje nr 6,12 i 18). Warunki napawania

(3)

Wpływ warunków napawania . 51

przedstawiono w talioy 1.

Napawanie łukiem krytym prowadzono przy użyciu automatu AS14a, które

go głowica ustawiona była nieruchomo nad napawaną tuleją zamocowaną na tarczy obrotnika. Stosowano drut elektrodowy SpG1 wg PN-77/M-69420 o średnicy 3 i 5 mm oraz topnik TA.St.1 wg PN-73/M-69355. Napawaniu podda

no jedynie zewnętrzne powierzchnie tulei. Próby napawania prowadzono w sposób umożliwiający uzyskanie prawidłowych napoin o grubości nie mniej

szej niż 3 mm. W trakcie prób zmieniano natężenie prądu, średnicę drutu elektrodowego i prędkośó napawania. Parametry napawania przedstawiono w tablicy 1.

Wielkość odkształceń spawalniczych oceniano porównując wyniki pomia

rów odchyłek od kształtu idealnego dla każdej tulei przed i po napawa

niu. Do pomiarów odkształceń tulei zastosowano następujące przyrządy po

miarowe:

- mikrometr zewnętrzny MMZo o zakresie pomiarowym 200*225 mm, klasy I, wartość działki elementarnej 0,01 mm,

- dwustykowa średnicówka czujnikowa MDAh o zakresie pomiarowym 190*200 mm, klasy I, wartość działki elementarnej 0,01 mm,

- czujnik zębaty zegarowy MDAa o zakresie pomiarowym 0*10 mm, klasy I, wartość działki elementarnej 0,01 mm.

Zestawienie wyników pomiarów odkształceń przedstawiono w tablicy 2 1 3 .

ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że odkształcenia na

pawanych tulei są większe w przypadku napawania łukiem krytym, niż przy napawaniu w osłonie C02 , co związane jest c większą energią liniową łuku w pierwszym przypadku. Zaobserwowano również, że odkształcenia napawa

nych tulei uwidoczniły się przede wszystkim w postaci zmian owalności, a w mniejszym stopniu w postaci wygięć i nierównoległości. W przypadku obu metod napawania wpływ poszczególnych warunków napawania na odkształcenia tulei był następujący:

Wzrost natężenia prądu powodował zwiększenie odkształceń [głównie o- walności), natomiast wzrost szybkości napawania powodował ich zmniejsze

nie (tabl.2 i 3, rys.2 i 3), bowiem parametry te bezpośrednio wpływały na energię liniową łuku.

Stosowanie przerw w trakcie napawania w osłonie C02 przyczyniło się do zmniejszenia odkształceń spawalniczych [tabl.2 i 3, rys.4) z uwagi na mniejsze nagrzewanie tulei w procesie napawania. Zastosowanie dodat

kowego ruchu poprzecznego elektrody prowadziło do wzrostu odkształceń (tabl.3) w wyniku zmniejszenia obwodowej prędkości napawania.

Największy wzrost wartości odkształceń wystąpił przy napawaniu obu

stronnym, mniejszy przy napawaniu powierzchni zewnętrznych i najmniej-

(4)

J. Dziubiński, Z. Buloki

szy przy napawaniu powierzchni wewnętrznych ( tabl.2 i 3, rys.4^{) .} Odkształcenia napawanych tulei w poetaci wygięcia i nierównoległości powierzchni czołowych kształtowały się w granicach 0,01-0,02 mm a więc na granicy błędu pomiaru stosowanych przyrządów.

Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że najmniejsze odkształ

cenia tulei w postaci owalności wystąpiły przy napawaniu ściegiem pros

tym z przerwami na odprowadzenie ciepła w procesie napawania, przy zas

tosowaniu dolnych wartości natężenia prądu napawania dla danej średnicy drutu elektrodowego użytego do napawania i górnych wartościach prędkości napawania dla danej tulei.

/ WNIOSKI

Odkształcenia napawanych tulei zależą przede wszystkim od energii li

niowej łuku a więc są większe w przypadku napawania lukiem krytym niż w przypadku napawania w osłonie C02 i uwidaczniają się głównie w postaci zmian owalności, a w znacznie mniejszym stopniu w postaci wygięcia i nier ównoległości.

Wzrost natężenia prądu i zmniejszenie szybkości napawania powodują zwiększenie odkształceń.

Zastosowanie poprzecznego ruchu elektrody powoduje wzrost odkształceń, natomiast zastosowanie przerw w czasie napawania powoduje zmniejszenie odkształceń.

Największe odkształcenia tulei powstają w wyniku napawania obustron

nego, mniejsze w wyniku napawania powierzchni zewnętrznych a najmniejsze w wyniku napawania powierzchni wewnętrznych.

Najmniejsze odkształcenia tulei wystąpiły przy napawaniu ściegiem prostym, z przerwami na odprowadzenie ciepła w procesie napawania, przy zastosowaniu dolnych wartości natężenia prądu dla danej średnicy drutu elektrodowego i górnych szybkości napawania dla danej średnicy tulei.

LITERATURA

i

[1] Pilarczyk J.s Spawanie i napawanie elektryczne metali. Wyd.Śląsk, Katowice 1979.

[2] Machnenko ff.I., Krawców T.G.: Tiepłowyje processy pri mechanizirowa- noj napławkle dietalej tipa krugowych cilindrow. Naukowa Dumka, Kijew 1976.

[3] Machnenko W.l.s Awtomaticzeskaja Swarka, 12, 1961.

[4] Machnenko W.l.s Swarocznoje Proizwodstwo,2,1963.

[b] Machnenko W.I.: Awtomaticzeskaja Swarka, 11,1963.

[6] Machnenko W.I. i in.s Awtomaticzeskaja Swarka, 1,1981.

[7] Myśliwiec M.s Cieplno mechaniczne podstawy spawalnictwa. WNT, Warszawa 1972.

(5)

Spływ warunków napawania ...

[8] Jakubiec M. i in. s Technologia konstrukcji spawanych. WNT, Warszawa 1980.

[9 ] Kłosowicz Z . : Praca dyplomowa inżynierska. Pol.Śląska 1982.

flojPytoń J.s Praca dyplomowa inżynierska. Pol.Śląska 1982.

THE INFLUENCE OF SLEEVES SURFACING CONDITIONS ON THEIR DISTORTIONS

SUMMARY

The influence of surfacing conditions of the thin wall sleeves made from carbon steel on the residual welding distortions has been stated.

GMA and 3A welding methods have been used. The optimal surfacing condi

tions, giving minimal distortions of sleeves have been stated.

jWHHHHE yCJOBHii HAI1F A M E H M H liïyjiKH HA EE jtESOPMAIflM

PE30ÜS

S u r .o o n p e A S i i e H O B . w x m e ycJiosHft H a w i a B K K T O H K O d e H H L L X B i y n o x H3^ro'f0 3^,ieH-

H u x a3 f'aviKoyrviep o ł a c i oii cxajiH « a B C3^{H K K H}0^B6K H e c e a p o v H u x A e $ o p M a u H i i . ITpu—

MetUiJUiCb C B a p x a b c p e ^ e y r a e K H C J i o r o r a3a h c s a p x a n o A {pxiocou, E h a h o n p e A e - jienu peacaMu n a n j i a B X H BTyjtKH ofiecnemiBafouHe ¡-uiKXMajibHaie A e j i o p M a a H H a n p c -

uecce peieHepauHH.

Recenzent

Doc.dr inż. J. Brózda

(6)

54 J. Dziubiński, Z. Sul3ki

Warunki napawania tulei w osłonie COg i łukiem krytym

Rodzaj Nr Parametry napawania

Uwagi napawania tulei 0 el.

mm

J A

U V

Vn m/s

Napawanie w 1 1,2 105 20 0,0075 ["napawanie z

osłonie COg 2 1,6 170 24 0,0099 ■[przerwami

powierzchni 3 1,6 135 22 0,0099 'ruchy pop

wewnętrznych 4 5

1,6 1,6

135 135

22 _ 22

0,0132 0,0132 »-

rzeczne [elektrody

6 1,6 135 22 0,0033 -w—

Napawanie w 7 1.2 105 20 0,0083 [napawanie

osłonie COg 8 1,6 107 24 0,011 (z przerwami

powierzchni 9 1,6 135 22 0,011 [ruchy pop-

zewnętrznych 10 1,6 135 22 0,0146 ilrzeczne

11 1,6 135 22 0,0146 « J [elektrody

12 1,6 135 22 0,036

Napawanie w 13 1,2 105 20 dla powierz^- [napawanie osłonie COg

powierzchni

14 15

1,6 1,6

170 135

24 22

ehni wew

nętrznych jak tuleje

[z przerwami [ruchy pop- obustronnie 16

17 18

1,6 1,6 1,6

135 135 135

22 22 22

i-b,dia po

wierzchni zewnętrznych jak tuleje ■»

7-12 •*-

jrzeczne [elektrody

Napawanie 19 3 400 32 0,0081

łukiem krytym 20 5 450 34 0,0081

powierzchni 21 3 400 32 0,0132

zewnętrznych 22 3 450 32 0,0081

23 5 400 34 0,0132

(7)

Zestawienie wynikówpomiarównierównoległościpowierzchni czołowychorazwygięcianapawanychtulei

Wpływ warunków napawania ... 55

Wygięcief,mm odkształ ceniaspa walnicze

T— r - r - r - r - o

o o o o o o

O O O O O O

o o o o o o

1

1 1 1 1 1 1

CM CM t- CM t -

O O O O O

a a a * a

o o o o o

ponapawa niu

C ’'! r - CM CM CM CM

o o o o o o

T - CM CM r - T- CM

o o o o o o

1 1 1 1 1 1

C ^ r ^ C M C ^ C M

O O O O O

przednapawa niem

W O r r r W

O O O O O O

o o o o o o

T - CM CM r - t - CM

O O O O O O

o o o o o o

CM O t- t - r - CM

O O O O O O

r— r— r - r~ r—

O O O O O

o o o o o

Nierównoległośó powierzchniczołowych.min. odkształcenia spawalnicze

t - C M CM UD r - n r - r ^ r ^ T -

o o o o o o

O CM U D C M O n O r \ r - n o n

O O O O O O

^ f u o CO CT» CM c n u D t -

o o o o o

ponapawaniu

CO O -C— O t- o t - C M c o cr\

• • • • • a w r \ r - n O r -

xł- OU O u O U D CO r - CM CTN CTN c -

• * a> a> a> a>

T - CM t - T - T - CM

t— ^ IT\ T—

UD CM r - <T\ ^ CO a a • * * • ( M n \ r - CM O O

I A V D ^ C*-1—

<T\ c r . CT»UD a. a. a. a a.

CM T - P ^ O C M

przedna pawaniem

r - m o c ^ c r * ^ u d c r - r ^ c u w^-r-

a * a • * • CM CM r - r^\ O r -

^ ł - ( T v O v O v O c o T - CM CTn CTN C—

a a a a a a r - CM t- «-* r - CM

r - i n O i - c n M -

u o c m »—

CM CM r - r \ O r -

t— O UD OU 0 U V D n M M - C\J

CM r - f n O C M

Nr tulei

r - CM l A U D C— CO CT'' O r— CM r - t— r -

r u ^ IfU U O f - CO <T» O *— CM r - CM CU CM CM

Metoda napawa nia W osłonie C02 po wierzchni wewnętrz nych

V T i 1

•H a i s i ^ O O O - P r U p , « a>

CD O CM t) 5 O

O * r ł ©

s c o * w c W osłonie C02po wierzchni obustron nie łukiem krytympo wierzchni zewnętrz nych

(8)

J. Dziubiński, Z. Bulski

en

<d

o

•H

X>

<d

&

rHo

- P

aj

a

•HO sno HC

035 0

•Hs 1p.

•H

*6 aJ

§ O

*

•H IO X0 •

o 0 a © rH *H

s s

° 5Cd Pi 3 dd cd

•H Nf i

•Hod

£© 'W

vo o n v o oko ocovo Oit»vd r- r— r— w— O t—

o o o o o o

fOVDVD O n O cm o-^ł-cnincM r- r— r— O O CM o o o o o o

ino o ninin

cm O ino

r-rrr-OCM o o o o o o

1

in in in CM ko m CO CM CM in r— CM CM 0 0 * 0 0 0

iii

m<M OMnino r* C\J r- i— O C\J O O O O O O

rot— w- r-CMr-r-OCM o o o o o o

iDnOM-TiCM t— CM CM t— O CM O O O O O O

t— moM^-T—

COt- Ot- t- o o o o o

ii

00\ r-fStfMA r- r- t— r— O r—

• • • • • • O O O O O O

■^-CTM^-Ororo r-r-ł-r-OCM

O O O O O O 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

M

cnrnmvD min O r- r- O O t— o o o o o o

CT>t- OVD CTs^t- Ot- t- O Ot- o o o o o o

Ot- CM t— t^-cn O t— ■— O Ot- o o o o o o

Td-mcM cr**d- t— ■»j- cm ro ro o o o o o

Oa

r• d T»-H

< s

*o cd 5 vn cu o cd

5 *

cd O

m cn min ^ł-

t- OJ t- r- OC\J O O O O O O

1 1 1 1 1

co CM t~- CM f-ro t— CM r— r— O CM O O O O O O

1 1

KO lAOM-TtCD r- CM CM — O CM o o o o o o

1 1 1

OTfOt-r- m T- T- T- T- 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1

11 Or-vd O mvo r- W r* r* O t- O O O O O O

1 1 1

CM Cr>VD OM^- c^- T- T-T- O O l - O O O O O O

1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

M

00 "»d-« - CO m OJ O T— T— O O T—

o o o o o o II 1 1

(T>mOvD co Or-ł-OOr- o o o o o o

1 1 1

O CM o o n CM r r r O O C M O O O O O O

1 I 1

CM tn t— r— VD T- *4 * CM -«3-co o o o o o

11 II

-S

< 1Q<

'O cd 'OJ d

O s<d o

III o w o o o ^ t o o o o o o o o o o o o

1

w— t— o T— CO^

o o o o o o o o o o o o

1 1 1

O CM O O O T f o o o o o o 0 0 0 * 0 0 0

1

T-T-T-OO o o o o o

e a • • •

o o o o o 1

II O OJ t— ĆO OJ t— o o o o o o o o o o o o

CM Ot— t— ^VC o o o o o o o o o o o o

1 1

1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1

M

t- r - CM CM CM m

o o o o o o o o o o o o

1 1 1 1

O C M O O I A M -

o o o o o o o o o o o o

1 1

t— t— JM CM CM r o

o o o o o o 0*0 o o o o

1 1 1 1

CM CM r - CM CM

o o o o o o o o o o

1 1 1 1

Nr tulei

r— CM f O ^ - l f > V X ) C— CD 0 > Ot- CM

T— T— T— m^nnvo c^co

r — r — r — r — T - t— 7\ o r- ^{c m}^{r o}

T - CM CM CM CM

Metoda napawa nia

•H d «

a i 5 u

0 0 0 4»

rm cu « a>

® * d,d

5= o ^ 9 d

•h d «

fl l 5 h

O O O - P

cu« a>

w * d^J

O C M © $ O

^ o * « d

•H © 1 ©

d tf-H o<s sO d OJ o

O CM U

O -p

o m Łukiemkry tym po wierzchni zewnętrz nych 56

(9)

Ad = d ™ / dn

Owalność

^ = a rrv’v _ C r,

Wygięcie

@ amin

777////;

0

^°max

l?7////////l/////////^

tgoC = Jmax u min

Nierównolegtość 7777777

Rys.1. Sposób pomiaru odchyłek pomiarowych: owalności (a), wygięcia (b) i nierównoległości powierzchni czoło

wych (c) .

(10)

J. Dziubiński, Z. Bulski

I I nap. zeun.

Y//A nap. Henn.

nap. duustr.

Rys.2. Wpływ natężenia prądu na odkształcenia tulei w postaci owalności. napawanie w osłonie CCU

i łukiem krytym (ŁK).

Ad

/m m /

Oj

0,2

0,1

CO,

H O H 6 9 9 « 2

L K

HO 146

n o e ry t j k n u ifo j 84 432

p r ę d k o ś ć napaw ania / rr>/^ / x 40

I I nap. zeun.

Y//A nap. ueun nap. duustr.

Rys.3. Wpływ szybkości napawania na odkształcenia tulei w postaci owalności. Napawanie w osłonie C0?

i łukiem krytym (ŁK) .

(11)

A d

/ m m / 0,40-

0,08-

' 0,06- 0,04/-

O fiZ ■

C P C P c P

sposób napaw ania

| | nap. zewn.

nap. wewn.

nap. dwustr.

Rys.4. Wpływ sposobu napawania w osłonie CO

2

na odkształcenia tulei w postaci owal- nośoi: o - napawanie ciągłe,

p - napawanie z przerwami.

1