Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке для сварки мостовых конструкций под флюсом

пецифические условия кристаллизации металла в сварочной ванне (высокий перегрев расплава, большие градиенты температуры в зоне кристаллизации и большая линейная скорость роста кристаллитов) обуславливают формирование в шве и околошовной зоне неблагоприятной крупнозернистой столбчатой структуры с более низкими, чем основной металл, прочностными свойствами. Поэтому вопросам улучшения структуры металла шва в процессе кристаллизации сварочной ванны уделяется постоянное внимание исследователей. Во второй половине прошлого века в СССР и за рубежом при сварке металлопроката большой толщины начали применять сварку с дополнительной присадкой в виде металлического порошка, что позволило снизить перегрев расплава в сварочной ванне, улучшить структуру, технологические и служебные свойства сварных соединений, существенно повысить производительность процесса сварки [1,2]. Получение мелкозернистой структуры путем ввода в сварочную ванну дополнительных центров кристаллизации в виде тугоплавких частиц (модификаторы II рода) является перспективным направлением дальнейшего повышения качества сварных соединений [3]. Однако сохранение зародышеобразующей способности модификаторов – из-за высоких температур в зоне сварки – является серьезной проблемой. Одним из способов повышения эффективности модификаторов II рода при сварке плавлением является их введение в сварочную ванну в комбинации с охлаждающи-

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

ми макрочастицами (микрохолодильниками) [4]. Подобный присадочный материал из проволочной крошки (гранулята), получивший название «металлохимическая присадка» (МХП), нашел применение при сварке стальных мостовых конструкций [5, 6, 7]. В настоящее время в качестве химической добавки в МХП используется двуокись титана TiO2 (Тпл = 1843 оС) [6, 7]. Перспективно также применение нанопорошков для модифицирования металла сварных швов. Однако их использование, кроме указанных выше факторов, осложняется способностью к комкованию и окислению при сравнительно низкой температуре [8]. Поэтому применение в модифицирующем комплексе макрочастиц, на поверхности которых оседают наночастицы, позволяет предотвратить процесс их комкования.

Одним из непременных условий постоянства получения высококачественных сварных соединений с применением МХП является стабильность ее состава на всех этапах – от смешивания до укладки в зазор свариваемого стыка. Главным показателем этого постоянства является прочность сцепления частиц химической добавки с поверхностью гранулята. Она зависит от многих факторов: чистоты и рельефа этой поверхности, конструкции смесителя и режимов смешивания, соотношения компонентов при загрузке в смеситель и др. Насколько нам известно, в настоящее время не существует способов непосредственной или косвенной оценки прочности сцепления частиц химической добавки с поверхностью гранулята. Это не позволяет объективно оценить качество МХП, постоянство ее состава, влияние технологии приготовления МХП на это постоянство и т.п. Целью настоящей работы является разработка методики количественной оценки прочности сцепления химической добавки TiO2 с поверхностью проволочной крошки в процессе их смешивания и исследование влияния технологических параметров приготовления металлохимической присадки на эту прочность.

Разработка методики исследования

Прочность сцепления добавки с гранулятом предложено косвенно оценивать по увеличению массы крошки после смешивания (по привесу). Проволочную крошку изготавливали из сварочной проволоки Св-10НМА на специальном рубочном станке, размер частиц крошки 2 х 2 мм. В качестве химической добавки использовали двуокись титана

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

TiO2 с индексом «Ч» по ГОСТ 9808 с размером частиц не более 15 мкм. Перед смешиванием компоненты прокаливали при температуре 150 оС. Смешивание производили в цилиндрическом смесителе емкостью 4 литра со смещенной осью – в дальнейшем смеситель. После смешивания слабосвязанные частицы TiO2 с крошкой удаляли встряхиванием на вибросите с частотой около 100 встряхиваний в минуту. Взвешивание компонентов перед смешиванием и полученной МХП после смешивания и встряхивания осуществляли на аналитических весах «Libra HT-220» с точностью до 0,0001 г.

Воспроизводимость результатов привеса проверяли посредством проведения двух серий экспериментов по приготовлению МХП одинакового состава, на одинаковых режимах смешивания и встряхивания: скорость вращения смесителя 60 об/мин., время обработки 10 минут, время встряхивания 1 минута. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты экспериментов

№ серии	№ смеси	До обработки в цилиндрическом смесителе			После обработки в цилиндическом смесителе
		Масса крошки, m 1, г	Масса порошка, m 2, г	Масса смеси, m 3, г	Масса смеси после смешивания, m 4, г	Масса смеси после вибросита m 5, г	Привес, ∆ mi = m 5– m 1, г
I	1	100,0008	5,0018	105,0026	101,9721	101,2780	1,2772
	2	100,0218	5,0012	105,0230	101,9362	101,1900	1,1682
	3	100,0014	5,0003	105,0017	101,8550	101,2183	1,2169
	4	100,0039	5,0022	105,0061	101,7985	101,4011	1,3972
	5	100,0208	5,0013	105,0221	101,8627	101,2558	1,2350
II	1	100,0003	5,0022	105,0025	102,0080	101,2023	1,2020
	2	100,0025	5,0025	105,0050	101,8402	101,1463	1,1438
	3	100,0057	5,0001	105,0058	101,7225	101,2631	1,2574
	4	100,0212	5,0029	105,0241	101,8613	101,2314	1,2102
	5	100,0019	5,0024	105,0043	101,8224	101,0245	1,0226

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Опыты производили в следующей последовательности: смесь № 1 из I-й серии обрабатывали в смесителе, затем полученную МХП выгружали и взвешивали до и после встряхивания, кроме того, взвешивали оставшуюся в смесителе добавку TiO2. Затем, после очистки смесителя, по такой же технологии производили эксперимент со смесью № 1 из серии II.

По каждому опыту вычисляли дисперсию привеса:

Z^ = (Amz Am)2,                                    (1)

где ∆ m_i, Am – привес в i -том опыте и его среднее значение для данной серии.

Вычисляли также средние значения привеса в двух параллельных опытах с последующим расчетом дисперсии (табл. 2).

Таблица 2

Обработка результатов эксперимента

№ смеси	Серия I, привес TiO2, ∆ mi 1, г	Серия II, привес TiO2, ∆ mi 2, г	Среднее значение привеса TiO2 в двух сериях, Am	Дисперсия D ∆ m (среднее из двух серий)	Примечание
1	1,2772	1,2020	1,239600	0,002828	D   = ∆ m max 0,022557
2	1,1682	1,1438	1,156000	0,000298
3	1,2169	1,2574	1,237150	0,000820	N ^ ^Anij = 0,044 Z = 1
4	1,3972	1,2102	1,303700	0,017484
5	1,2350	1,0226	1,128800	0,022557	К Э = 0,5128

На основании полученных данных вычисляли экспериментально полученный критерий Кохрена:

TZ _ "^Am max                                                                       /ОХ

10        ,                                                                                 (2)

/=1                                                                             10

где D _∆ m max – значение максимальной дисперсии; IX – сумма всех дисперсий в 10 опытах.

к содержанию2)

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Вычисленный по результатам экспериментов критерий Кохрена К_Э сравнивали с табличным значением К Т по таблице 8 [9]. Если К Э <  К Т , то опыты воспроизводимы, и чем меньше К_Э, тем надежнее воспроизводимость. Экспериментальный критерий К_Э = 0,5128 на 40% меньше табличного К_Т = 0,841 (для n = N•m = 5•2 = 10 измерений, N = 5 – количество опытов, m = 2 – число повторений опытов). Полученные результаты свидетельствуют о хорошей воспроизводимости измерений привеса по предложенной методике. Опыты воспроизводимы с высокой

,                     1 N степенью точности (                               ).

Влияние времени встряхивания на величину привеса

Стабильность состава МХП, очевидно, в значительной мере зависит от операций встряхивания после обработки в смесителе (величины ячейки и времени встряхивания). Согласно нормативным требованиям, после смешивания рубленой проволоки с химической добавкой опу-дренную крупку необходимо просеять на сите с ячейкой 1 х 1мм с целью удаления излишней химической добавки [7]. Однако режимы (время и частота) встряхивания в нормативах не оговорены. В связи с этим возникла необходимость исследовать влияние технологии встряхивания на стабильность состава МХП.

Таблица 3

Масса химической добавки TiO2, оставшейся на поверхности гранулята (привес), в зависимости от времени встряхивания

Время встряхиваний, мин.	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	7,5	10,0
Привес TiO2, г	2,0269	1,3352	1,0508	0,8703	0,7230	0,6322	0,5472	0,4711	0,4288	0,4032	0,3750	0,2962	0,2592
Относительный привес, А т/ А т0	1	0,65	0,52	0,43	0,357	0,31	0,27	0,23	0,21	0,198	0,185	0,146	0,13

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Для решения этой задачи была подготовлена смесь массой 105,0093 г (100,0078 г крошки и 5,0015 г TiO2), которая прошла обработку в смесителе (60 об/мин., время – 10 мин.). Полученную смесь взвешивали сразу после выгрузки из смесителя, затем производили встряхивание на вибросите (100 встряхиваний в минуту) со взвешиванием МХП через каждые 30 секунд встряхивания. Полученные результаты представлены в табл. 3.

Если величину привеса принять за единицу ∆ m₀ = 1, то отношение привеса смеси после i -того времени встряхивания к ∆ m₀ (относительный привес) показывает, какая доля TiO₂ осталась от начального значения в составе МХП: ε = ∆ m_i / ∆ m ₀. На рис. 1 представлена зависимость величины относительного привеса от времени встряхивания.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в течение 4–5 минут встряхивания опудренной смеси в ней резко уменьшается количество TiO2 (теряется более 80% TiO2). Затем интенсивность потерь резко снижается. Следовательно, для стабилизации состава МХП встряхивание после смешивания на указанных режимах должно длиться не менее 4–5 минут.

Рис. 1. Относительная величина привеса в зависимости от времени встряхивания (сито с ячейкой 0,5 х 0,5 мм, частота встряхивания 1,6 Гц)

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Исследование факторов, влияющих на прочность сцепления частиц химической добавки TiO2 с гранулятом, и степени их влияния на эту прочность

Прочность соединения добавки с гранулятом определяется следующими факторами:

– качеством поверхности гранулята: шероховатостью, продуктами взаимодействия с окружающей средой;

– химическим сродством гранулята и химической добавки;

– соотношением масс компонентов МХП;

– энергией смешивания;

– временем обработки в смесителе.

Каждый из перечисленных факторов может меняться в определенном диапазоне. Например, качество поверхности гранулята можно изменять путем пескоструйной, дробеструйной обработки на стадии получения крупки. Возможно также травление поверхности макрочастиц и пр. Химическая добавка в МХП определяется составом свариваемого материала и требованиями, предъявляемыми к свариваемому соединению (химической стойкостью, хладоломкостью, прочностными свойствами, износостойкостью и др.). Изменение соотношения масс компонентов МХП можно варьировать в широком диапазоне. Тип оборудования для смешивания и режимы его работы определяют величину энергии, вводимой в МХП. В низкоэнергетических установках (смесителях) частицы смешиваются, падая с одной стенки сосуда на другую под действием силы тяжести. В этом случае гравитационное ускорение частиц не превышает 1 g. Энергию смешивания можно изменять также введением в смеситель дополнительной массы в виде мелящих шаров, а также посредством изменения скорости и времени вращения барабана.

В высокоэнергетических планетарных мельницах размольные стаканы вращаются вокруг собственных осей и, в то же время, по круговой траектории вокруг центральной оси планетарного диска. В результате смешиваемый материал и мелющие шары двигаются с ускорением до 60 g через размольный стакан и соударяются с противоположной его стенкой. В процессе такой обработки компонентов смеси происходит измельчение химической добавки до нанодиапазона и пластическая деформация гранулята, кроме того, возможно химическое взаимодействие гранулята и химической добавки – механическое легирование.

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Для определения наиболее значимых факторов, влияющих на прочность сцепления химической добавки с гранулятом, использован полный факторный эксперимент.

В качестве входных были выбраны следующие факторы:

• 1.    X ₁ – соотношение масс исходных компонентов МХП: m ₂/ m ₁•100%, где m₁– масса гранулята, загружаемого в смеситель, а m ₂ – масса порошка химической добавки TiO₂;

• 2.    X ₂ – вводимая в смесь энергия. Этот фактор мы косвенно оценивали величиной скорости вращения смесителя;

• 3.    X ₃ – время обработки смеси в смесителе.

Выходным фактором эксперимента был выбран привес Y ₁. Факторы и уровни их варьирования приведены в табл. 4.

Таблица 4

Обработка результатов эксперимента

Факторы		Уровни варьирования			Интервал варьирования
Натуральный вид	Кодированный вид	–1	0	+1
Соотношение масс исходных компонентов МХП: m ^•100,%	Х 1	0,1	0,3	0,5	0,2
Энергия смешивания, об/мин.	Х 2	10	35	60	25
Время обработки смеси в смесителе, мин.	Х 3	10	20	30	10

Были проведены 2 серии экспериментов по получению МХП: по 8 опытов в каждой серии. В процессе опытов поочередно менялись входные факторы X ₁, X ₂, X ₃ в выбранных интервалах варьирования. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.

Полученные результаты подвергали статистической обработке. Рассчитывали средние значения привеса, оценивали величину дисперсии. Результаты статистической обработки свидетельствуют о высокой воспроизводимости и точности экспериментов (экспериментальное значение коэффициента Кохрена КЭ = 0,373 меньше табличного КТ = 0,68).

( к содержанию 3

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Таблица 5

Результаты полнофакторного эксперимента

Точки плана	Факторы			Величина привеса
	Х 1	Х 2	Х 3	Y 1
1	–1	–1	–1	0,4955
2	+1	–1	–1	0,8673
3	–1	+1	–1	0,2152
4	+1	+1	–1	1,1611
5	–1	–1	+1	0,6017
6	+1	–1	+1	1,1406
7	–1	+1	+1	0,2214
8	+1	+1	+1	1,0598
9	–1	–1	–1	0,4749
10	+1	–1	–1	1,0185
11	–1	+1	–1	0,2482
12	+1	+1	–1	0,9691
13	–1	–1	+1	0,5915
14	+1	–1	+1	0,8619
15	–1	+1	+1	0,2063
16	+1	+1	+1	1,3228

Были вычислены коэффициенты и получено уравнение регрессии:

Y ₁ = 0,7160+0,3342 X ₁–0,0405 X ₂+0,0348 X ₃+0,1186 X ₁₂+

+0,0114 X ₁₃+0,0077 X ₂₃.                                        (4)

На рис. 2 приведена гистограмма ранжирования факторов и комбинаций по b-коэффициентам для привеса при получении МХП в цилиндрическом смесителе.

Согласно полученному уравнению регрессии (4) величина привеса (прочность связей между частицами) увеличивается с возрастанием концентрации химической добавки Х ₁. Менее значимым фактором в исследуемых пределах является время механической обработки

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Рис. 2. Гистограмма ранжирования факторов и их комбинаций по b-коэффициентам для привеса при получении МХП в цилиндрическом смесителе

МХП в смесителе (фактор Х ₃). Фактор Х ₂ (скорость вращения барабана) в уравнении регрессии имеет знак минус. Это можно объяснить тем, что с увеличением скорости вращения барабана смесителя химическая добавка под действием центробежных сил отбрасывается и оседает на стенках смесителя, что приводит к уменьшению величины привеса. Увеличение фактора взаимного влияния Х ₁₂ – энергии смешивания Х ₂ и концентрации исходных компонентов Х ₁ – приводит к возрастанию величины привеса.

После проверки значимости коэффициентов регрессии с помощью Критерия Стьюдента было получено итоговое уравнение регрессии:

Y ₁ = 0,7160+0,3342 X ₁+0,1186 X ₁₂.

Максимальный привес (TiO2 = 1,3228 г) получен при 30 минутах смешивания на 60 об/мин, и при концентрации исходных компонен- m         5 0004

тов: ^•100% = ^^ 100% = 5%.

m1 100,0016

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...

Выводы

• 1.    Показано, что для оценки прочности сцепления модифицирующих частиц с микрохолодильниками при их совместной механо-химической обработке с достаточной степенью воспроизводимости и удовлетворительной ошибкой эксперимента можно использовать величину привеса (массу модифицирующих частиц, связанных с гранулятом).

• 2.    Исследование влияния соотношения масс гранулята и добавки TiO₂, скорости вращения смесителя и времени смешивания на прочность сцепления частиц в металлохимической присадке на основании регрессионного анализа показали, что прочность сцепления увеличивается с возрастанием массы TiO₂ в присадке, времени и энергии смешивания.

• 3.    Применение гранулята из проволоки совместно с нанопорошковы-ми модификаторами позволяет предотвратить комкование наночастиц.

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Болдырев А.М., Григораш В.В., Гребенчук В.Г. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке для сварки мостовых конструкций под флюсом // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2012, Том 4, № 2. C. 56–69. URL: (дата обращения: __ ____________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Boldyrev A.M., Grigorash V.V., Guschin D.A., Grebenchuk V.G. The study of particles adhesive strength in modifying agent for bridge structure welding. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2012, Vol. 4, no. 2, pp. 56–69. Available at: http://www. (Accessed _____________).

(In Russian).

А.М.БОЛДЫРЕВ и др. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке...