Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона

УДК 621.791.048

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА НИЗЬКОВОДНЕВИХ ЗВАРЮВАЛЬНИХ ФЛЮСІВ МАРГАНЦЕВОСИЛІКАТНОГО ТИПУ

Спеціальність 05.03.06. “Зварювання та споріднені технології”

ГОНЧАРОВ Ігор Олександрович

Київ - 2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук Кузьменко Володимир Григорович, Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Шлепаков Валерій Миколайович, Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник.

кандидат технічних наук, доцент Сливінський Анатолій Матвійович, НТУУ “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри.

Провідна установа: Приазовський державний технічний університет, м.Маріуполь

Захист дисертації відбудеться "29"травня 2002р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, м.Київ-150, МСП, вул.Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

Автореферат розісланий “19 ”квітня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Л.С.Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При автоматичному електродуговому зварюванні конструкцій з низьковуглецевих і низьколегованих сталей широко застосовуються марганцево-силікатні плавлені флюси. Однак ці флюси відрізняються підвищеною чутливістю до утворення пор у зварних швах. У цілому ряді досліджень встановлено, що основною причиною пороутворення у швах є підвищений вміст водню в металі зварювальної ванни і його виділення в момент кристалізації внаслідок стрибкоподібного зниження розчинності. Одержання щільних швів при зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами звичайно досягається за рахунок підвищення вмісту в складі флюсу фторида кальцію, здатного в зоні зварювання зв'язувати водень у нерозчинний у рідкій сталі HF. Однак останній шкідливий для працюючих. З літератури відомо, що флюси є основним джерелом водню в зоні зварювання. Тому для зниження концентрації водню в металі зварювальної ванни ефективніше застосовувати флюси, що містять мінімальну кількість водню. Для зниження вмісту водню у флюсах для зварювання середньолегованих і високолегованих сталей звичайно рекомендується високотемпературне (600-1000^оС) прожарювання. Однак для марганцево-силікатних плавлених флюсів воно непридатне через окислення оксиду марганцю, що входить до їх складу. Вплив технології виготовлення флюсів на вміст у них водню в літературі мало вивчений. Тому актуальною є розробка низьководневих марганцево-силікатних флюсів і технології їх виготовлення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились в рамках теми № 5.43.08/254 "Розробка і промислове впровадження технології виготовлення зварювальних флюсів з високим ступенем ресурсозбереження", виконаної згідно наказів ГКНТ України № 15 від 01.03.1993, № 39 від 05.03.1994, і теми № 15/4-П "Створення технології виготовлення низьководневого зварювального плавленого флюсу з підвищеною стійкістю зварних швів проти утворення пор", виконаної згідно наказу по ІЕЗ ім. Є.О.Патона № 19 від 16.02.2001 року.

Мета роботи - створення низьководневих флюсів, які забезпечують підвищену стійкість зварних швів проти пороутворення, і технології їх виготовлення.

Для досягнення цієї мети було поставлено завдання:

1) уточнити розподіл форм існування водню в плавлених флюсах;

2) вивчити термічну десорбцію водню із сировинних матеріалів, зварювальних плавлених флюсів і шлаків;

3) визначити вплив різних етапів технології виробництва зварювальних плавлених флюсів на вміст у них водню;

4) встановити залежність вмісту дифузійного водню в наплавленому металі від його вмісту у флюсах;

5) визначити вміст водню в металі шва при зварюванні під флюсом, який викликає утворення пор.

Об'єктом дослідження є марганцево-силікатні плавлені флюси.

Предметом дослідження є встановлення залежності між вмістом водню в плавлених марганцево-силікатних флюсах і вмістом водню в наплавленому металі при електродуговому зварюванні під цими флюсами та впливу концентрації водню в металі шва на утворення в ньому пор.

Методи досліджень. Дослідження складу і будови зварювальних флюсів і шлаків проводили із застосуванням методів ІЧ-спектроскопії, хімічного, рентгенструктурного фазового, ТГ-, ДТГ- і ДТА-аналіза. Температуру зварювальних флюсів у розплавленому стані визначали оптичним пірометром. Вміст і кінетику виділення водню в процесі нагрівання із сировинних матеріалів, плавлених флюсів і шлаків визначали методом термічної десорбції водню в середовищі аргону з хроматографічним аналізом газів, що виділилися. Вміст дифузійного водню в наплавленому металі і металі шва визначали за ГОСТ 23338-91 методом газової хроматографії. При дослідженні зварних швів застосовували хімічний і спектральний аналіз, оптичну металографію і випробування механічних властивостей. Вміст газів [O],[N],[H] у зварних швах визначали методом відновлювального плавлення в потоці інертного газу ( аргону чи гелію).

Наукова новизна отриманих результатів: На підставі досліджень термічної десорбції з хроматографічним аналізом водню і газів, які містять водень, з марганцево-силікатних плавлених флюсів встановлено, що плавлені флюси містять значну кількість водню у формі ОН-груп, який виділяється при нагріванні вище температури 800^оС, причому основна частина гідроксильних груп видаляється при температурах нагрівання, близьких до температури плавлення флюсу (1000-1100^оС). Отримані дані свідчать про непридатність застосування до марганцево-силікатних плавлених флюсів теорії "цеолітного" впровадження молекул води у зварювальні флюси.

Встановлено, що компоненти шихти, які використовуються при виготовленні зварювальних плавлених флюсів, вносять до 10⁴ см³ потенційного водню на 100 г виплавлюваного флюсу і є основним джерелом надходження водню у флюс в процесі його виробництва.

При плавленні в печі в шлаковому розплаві водень розчиняється у формі ОН-груп. Зростання температури розплаву з 1400 до 1700^оС призводить до зниження вмісту в ньому водню. В результаті зливу шлакового розплаву у воду загальний вміст водню в готовому флюсі збільшується непропорційно в залежності від температури шлаку перед грануляцією: при 1400^оС - на 8-12 % , при 1500 -1530^оС - у 3-4 рази, при 1700^оС - в 10 разів у порівнянні з його вмістом у розплаві.

Вміст дифузійного водню в наплавленому металі при зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами знаходиться в прямій залежності від кількості розчиненого в них у формі ОН-груп водню, що виділяється з флюсів при температурах нагрівання, близьких до температури плавлення флюсів (990^оС). Експериментально встановлена концентрація водню в металі шва, при перевищенні якої у швах при дуговому зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами утворюються пори, яка дорівнює 12-14 см³/100 г металу шва.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується результатами прямих експериментів із застосуванням сучасних методів досліджень у сертифікованих лабораторіях на атестованому обладнанні. Більшість положень узгоджується з відомими в літературі даними і не суперечить існуючим уявленням в області зварювальних процесів.

Практичне значення отриманих результатів. На основі проведених досліджень хімічного і фазового складу шлакових корок, що утворюються при зварюванні труб, запропоновано використовувати їх при виготовленні низьководневих флюсів без повторного переплавлення в печі. Розроблено й освоєно в умовах Харцизького і Новомосковського трубних заводів технологію виробництва низьководневих зварювальних флюсів АН-60СМ і АН-68СМ, які забезпечують вміст дифузійного водню в наплавленому металі не більше 5 см³/100 г. На Харцизькому трубному заводі випущено близько 400 тон флюсу АН-60СМ по ТУУ 05416923.013-96. Флюс АН-60СМ впроваджений при зварюванні побутових газових балонів на Харцизькому трубному заводі і Дружковському заводі газової апаратури, при зварюванні колес на Кременчуцькому колесному заводі, при зварюванні суднобудівних конструкцій зі сталей категорій В и Д-40 на Київському суднобудівельно-судноремонтному заводі.

На основі шлакових корок суміші флюсів АН-60 і АН-67А розроблено плавлений флюс АН-68, який призначений для зварювання труб з підвищеною швидкістю. На Новомосковському трубному заводі виготовлено понад 200 тон флюсу АН-68, який впроваджено на Харцизькому трубному заводі при зварюванні газопровідних труб зі сталей 13ГС, 13Г1СУ, 09Г2ФБ, 10Г2ФБ.

Особистий внесок здобувача. За особистою участю автора здійснений вибір методики досліджень, сплановані і проведені експерименти по вивченню загального вмісту і характеру термічної десорбції водню зі зварювальних плавлених флюсів, сировинних матеріалів і шлаків, вмісту дифузійного і залишкового водню в наплавленому металі і металі швів при зварюванні під флюсом. Аналіз отриманих результатів здійснювався автором як особисто, так і за участю інших співавторів. Автором уточнений розподіл форм існування водню в марганцево-силікатних плавлених флюсах, визначений вплив температурного режиму плавки зварювальних шлаків на вміст у них водню, встановлений характер залежності між вмістом водню у флюсі і вмістом дифузійного водню в наплавленому металі. Автором розроблено склади і технологію виробництва низьководневих флюсів АН-60СМ і АН-68СМ. Освоєння виробництва флюсів АН-60СМ, АН-68СМ і АН-68 на Харцизькому і Новомосковському трубних заводах, їх впровадження при зварюванні різних виробів здійснювалося співробітниками ІЕЗ ім. Є.О.Патона за особистою участю автора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були представлені на міжнародних конференціях: "Сучасні проблеми розвитку зварювального виробництва і вдосконалення підготовки кадрів" (Маріуполь, 1996), "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва" (Київ, 1998), "Стан і перспективи розвитку зварювальних матеріалів у країнах СНД" (Краснодар, 1998), науково-технічному семінарі "Зварювання під флюсом сьогодні і завтра" (Запоріжжя, 1998), міжнародних конференціях: "Проблеми забезпечення якості в зварювальному виробництві" (Київ, 2001), "Зварювання і споріднені технології"(Київ, 2001), "Дугове зварювання. Матеріали і якість на рубежі XXI століття" (Орел, 2001).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 14 наукових працях, список яких наведений у заключній частині автореферату, з них [1-5] - задовольняють вимогам ВАК до публікацій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури із 152 найменувань і 4 додатків. Текстова частина складає 141 сторінку машинописного тексту, 55 малюнків і 41 таблицю.

У вступі показана актуальність теми досліджень, сформульовані мета і завдання дослідження, наукова новизна проведеної роботи.

У першому розділі представлений огляд літератури, присвяченої визначенню вмісту водню в плавлених флюсах. Проведено аналіз методик, що застосовувалися, і оцінена достовірність отриманих результатів. Здійснено вибір методики досліджень і обґрунтовано необхідність їх проведення. В другому розділі уточнений розподіл форм існування водню в зварювальних плавлених флюсах, визначений вплив технологічних процесів виробництва зварювальних плавлених флюсів на вміст у них водню, вивчений вміст водню в сировинних матеріалах, зварювальних флюсах і шлакових корках, які утворюються при дуговому переплавленні флюсів.

У третьому розділі вивчався вміст водню в металі швів і його зв'язок з пороутворенням при зварюванні під плавленими флюсами. Встановлено характер залежності вмісту дифузійного водню в наплавленому металі від його вмісту у флюсі.

У четвертому розділі приведені результати досліджень змін хімічного і фазового складу флюсу, що відбуваються в процесі зварювання.

У п'ятому розділі розроблені низьководневі зварювальні флюси АН-60СМ, АН-68СМ і технологія їх виготовлення. Видано рекомендації з вибору технологічного устаткування. Викладено результати освоєння виробництва флюсів АН-60СМ, АН-68СМ, АН-68 і їх впровадження при зварюванні.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

плавлений флюс водень зварювальний

У встановленні причин пороутворення в зварних швах великий внесок належить роботам Підгаєцького В.В., Походні І.К., Фруміна І.І., Кірдо І.В., Любавського К.В. та ін. Більшістю дослідників визнається провідна роль водню в цьому процесі. Створенням низьководневих зварювальних матеріалів займалися Походня І.К., Мусіяченко В.Ф., Міходуй Л.І., Царюк А.К., Потапов М.М., Брусніцин Ю.Д., Козлов Р.О. та ін. Однак питання одержання низьководневих марганцево-силікатних зварювальних плавлених флюсів в літературі мало вивчені і для їх вирішення потрібно проведення додаткових досліджень.

Дослідження розподілу форм існування водню в марганцево-силікатних зварювальних плавлених флюсах.

У літературі вважається загальновизнаним висновок Ю.Д.Брусніцина про те, що основна кількість водню в плавлених флюсах знаходиться у формі “цеолітної” води, яка адсорбується при їх виготовленні на етапі мокрої грануляції, незалежно від будови їх зерен (пемзоподібної, каменеподібної, склоподібної), і видаляється в температурному інтервалі 200 - 1100^оС. У роботах Потапова М.М., Петрова Г.Л. цей висновок був розповсюджений на марганцево-силікатні плавлені флюси. Однак з мінералогії відомо, що вода, адсорбована в структурних порожнинах природних і синтетичних цеолітів, видаляється при нагріванні до температур, близьких до 400^оС.

Розподіл форм існування водню в плавленому флюсі АН-348А досліджували методами ІЧ-спектроскопії, термогравиметрії і газової хроматографії. Проведений хроматографічний аналіз термічної десорбції водню з флюсу АН-348А, отриманий при відключеному конверторі газів, що містять водень (Н₂О, HF), показав, що виділення водню у вигляді Н₂ із флюсу не відбувається. При підключенні конвертора відзначається істотне виділення водню у вигляді води при нагріванні флюсу. Отже, в плавленому флюсі АН-348А водень знаходиться не у формі іонів Н⁺, а у формі молекул води чи іонів ОН^-. Для їх роздільної ідентифікації був проведений порівняльний аналіз характеру термічної десорбції водню з плавленого флюсу АН-348А і синтетичного цеоліту NaA, що містить водень у формі молекул води. Термічна десорбція води з цеоліту досягає максимуму при температурі 190^оС і припиняється при температурі 535^оС. Характер десорбції водню при нагріванні флюсу АН-348А відрізняється від десорбції водню з цеоліту. Істотне виділення водню починається при нагріванні вище 600^оС. При цьому основна кількість водню виділяється в області температур 930 - 990^оС. Подібний високотемпературний характер видалення водню має місце при нагріванні алюмосилікатів (каоліну в діапазоні температур 440 - 640^оС, слюди мусковіт до 1000^оС) і металургійних шлаків вище температур 750^оС, в яких водень знаходиться у вигляді гідроксильних груп.

При витримці цеоліту на повітрі після прожарювання він здатний адсорбувати воду з повітря до вихідного перед прожарюванням вмісту. У флюсі АН-348А після прожарювання при 800^оС на протязі 2 годин і витримки на повітрі протягом 30 діб високотемпературна фракція води не відновлюється. Проведені дослідження свідчать про те, що основна частина водню знаходиться у флюсі АН-348А у формі іонів гідроксилу, а не у вигляді "цеолітної" води.

Дослідження впливу технології виробництва марганцево-силікатних зварювальних плавлених флюсів на вміст у них водню.

Проведений аналіз сировинних матеріалів, які застосовуються при виготовленні марганцево-силікатних зварювальних плавлених флюсів, показав, що вони містять значні кількості водню, а саме: марганцевий концентрат - 9600 - 9800 см³, плавікошпатовий концентрат - 330 - 560 см³, кварцевий пісок - близько 250 см³ на 100 г речовини. Характер десорбції водню з цих матеріалів при нагріванні свідчить, що основна частина водню видаляється з них при температурах вище 200^оС. Технологічний процес підготовки сировинних матеріалів до плавки не дозволяє істотно знизити вміст у них водню. Проведений розрахунок показав, що загальний вміст водню у вихідній шихті для виплавки в електродуговій печі 100 г флюсу АН-60 складає 10400 см³/100 г виплавлюваного флюсу. Таким чином, сировинні матеріали є основним джерелом надходження водню в плавлені флюси. Марганцево-силікатні плавлені флюси близькі за хімічним складом, але виплавляються в різних печах: флюси АН-348А і ОСЦ-45 - у газополуменевих, а флюси АН-60, АН-348АП і ОСЦ-45М - в електродугових. Ці печі відрізняються температурним режимом плавки. Досліджено залежність вмісту розчиненого у флюсі водню від температури шлакового розплаву. Вміст водню в шлаковому розплаві флюсу АН-348А, нагрітому в газополуменевій печі до температури 1400^оС, склав 40,6 см³/100 г. Після подачі розплаву по жолобу в електродугову піч і доведення його до температури 1530^оС він знизився до 14,9 см³/100 г. При виплавці флюсу АН-60 в електродуговій печі температура розплаву впродовж плавки збільшувалася з 1500 до 1700^оС, а вміст розчиненого в ньому водню знижувався з 20,0 до 6,9 см³/100 г. З отриманих даних видно, що збільшення температури шлакового розплаву призводить до зниження вмісту розчиненого в ньому водню.

Важливим технологічним етапом, відповідальним за вміст водню у флюсі, є грануляція розплаву. Вивчено вплив температури шлакового розплаву перед зливом його у воду на вміст водню в готовому флюсі (після відстою для стоку води, сушіння і розсіву). При грануляції шлакового розплаву флюсу АН-348А, нагрітого в газополуменевій печі до температури 1400^оС, вміст водню в готовому флюсі збільшується незначно (на 10 %) у порівнянні з його вмістом у розплаві (44,8 і 40,6 см³/100 г відповідно). За характером термічної десорбції водню проби шлаку і готового флюсу однотипні. Це підтверджує наш висновок про те, що основна кількість водню розчиняється у флюсі АН-348А в формі гідроксильних груп вже на етапі його плавки в печі. При мокрій грануляції шлакових розплавів флюсів АН-60 і АН-348АП, нагрітих в електродуговій печі до температур 1500 і 1530^оС відповідно, вміст водню в готовому флюсі збільшується в 3 - 4 рази в порівнянні з його вмістом у розплаві. При грануляції нагрітого до 1700^оС в електродуговій печі низьководневого (6,9 см³/100 г) розплаву флюсу АН-60 він збільшується більше ніж у 10 разів (до 74,1 см³/100 г). Вони визначаються різними умовами контакту з водою шлакових розплавів, нагрітих до температур 1400^оС і 1700^оС. При мокрій грануляції перших утворюються флюси зі склоподібною будовою зерен, у яких мікропорожнини майже відсутні. При цьому не відбувається істотного збільшення вмісту водню у флюсі. При мокрій грануляції шлакового розплаву, доведеного в електродуговій печі до температури 1700^оС, водяні пари пронизують частки флюсу, що твердіють, додають їм пористої будови, заповнюють мікропорожнини в зернах флюсу і конденсуються там при охолодженні. В результаті загальний вміст водню у готовому флюсі значно збільшується у порівнянні з його вмістом у шлаковому розплаві.

Дані термічної десорбції водню зі зварювальних плавлених флюсів показують, що рекомендоване ГОСТ 9087-81 прожарювання флюсу перед зварюванням при температурі 400^оС дозволяє видалити тільки вологу, адсорбовану на зернах флюсу при його зберіганні. Розчинений при плавці в печі водень залишається у флюсі після такого прожарювання і може бути вилучений при температурах, що перевищують 800^оС.

Встановлений вплив температури шлакового розплаву на вміст водню, що розчиняється в ньому при плавці в печі і надходить при мокрій грануляції, створює всі передумови для розробки технології виготовлення низьководневих зварювальних флюсів. Для їх одержання необхідно доводити температуру шлакового розплаву до 1700^оС і виключити його контакт з водою при грануляції. Механізми реалізації цих умов можуть бути різними. Для нагрівання шлаку до 1700^оС можна рекомендувати плавку в промислових електродугових печах або з метою зниження витрат електроенергії застосовувати дуплекс-процес (розплавлення шлаку в циклонній чи газополуменевій печі з наступною його подачею в електродугову піч). Суха грануляція може здійснюватися диспергуванням шлаку, що зливається з печі, стисненим повітрям, зливом шлаку в металеві виливниці, на металеву поверхню чи між водоохолоджуваними мідними валками з наступним дробінням шлаку, який закристалізувався. Крім того, при виготовленні низьководневих агломерованих флюсів в якості шлакоутворюючої основи можна використовувати синтетичні шлаки, які виплавляються в електродугових печах. В процесі зварювання флюс нагрівається до температур 1750-2000^оС. При цьому забезпечуються необхідні умови для десорбції водню, що міститься у флюсі. При зварюванні під флюсом АН-60 вміст водню знижується з 65,6-95,8 см³/100г у вихідному флюсі до 14,4-16,2 см³/100 г у шлакових корках. Це свідчить про те, що при плавленні флюсу в процесі електродугового зварювання з нього видаляється основна кількість водню. Вміст водню в шлаковій корці, що утворюється, близький до мінімальних значень вмісту водню у флюсі, яких можна досягти тільки при сполученні плавки флюсу в електродуговій печі з наступною сухою грануляцією розплаву. Тому шлакова корка є цінною сировиною для виробництва конкурентоздатних низьководневих зварювальних флюсів.

В загальному обсязі виробництва зварювальних плавлених флюсів частка флюсу АН-60 складає близько 50 %. Шлакові корки, що утворюються при зварюванні під ним, мають 3 клас небезпеки для здоров'я і вимагають локалізованого збереження. У даний час тільки на Харцизькому трубному заводі їх кількість перевищує 5 тис. тонн. Тому проблема утилізації шлакової корки надзвичайно гостра.

У лабораторних умовах нами був виготовлений дослідний флюс шляхом дробіння, розсіву і магнітної сепарації шлакової корки флюсу АН-60, отриманої при багатодуговому зварюванні труб. Дослідний флюс відрізняється найменшим загальним вмістом водню (25 см³/100г) у порівнянні із серійно випускаємими промисловістю марганцево-силікатними плавленими флюсами АН-60 (66-96 см³/100г), АН-348А (32-45 см³/100г), ОСЦ-45 (36 см³/100г), ОСЦ-45М (32 см³/100г). Десорбція водню з дослідного флюсу протікає при більш низьких температурах (до 600^оС).

Дослідження залежності вмісту дифузійного водню в наплавленому металі від його вмісту у флюсі.

Вміст дифузійного водню в наплавленому металі при зварюванні під серійними плавленими і дослідними марганцево-силікатними флюсами №1 і №2, виготовленими на основі шлакових корок флюсу АН-60 і суміші флюсів АН-60 і АН-67А відповідно, визначали за ГОСТ 23338-91 хроматографічним методом. Усі флюси перед зварюванням прожарювали при температурі 300^оС протягом 1 години. Зразки для зварювальних дослідів виготовляли із сталі 10Г2БТ. Зварювальний дріт марки Св-10ГН діаметром 4 мм зачищали від омідненого покриття і знежирювали. Наплавлення вели на режимі: І_зв = 550-600А, U_д = 32-34В, V_зв = 36м/год.

Дані свідчать про вплив технології виготовлення зварювальних плавлених флюсів на вміст дифузійного водню в наплавленому металі при зварюванні під цими флюсами. Найменший вміст дифузійного водню в наплавленому металі забезпечується при зварюванні під дослідними флюсами № 1 і № 2 (2,6 - 4,1 см³/100 г).

При зіставленні термічної десорбції водню зі зварювальних флюсів у процесі їх нагрівання з даними таблиці 1 нами встановлено, що вміст дифузійного водню в наплавленому металі при зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами знаходиться в прямій залежності від кількості розчиненого в них у формі ОН-груп водню, який виділяється з флюсів при температурі нагрівання, близькій до температури плавлення флюсу (990^оС).

Таблиця 1 Вміст дифузійного водню в наплавленому металі при зварюванні під марганцево-силікатними флюсами різної технології виготовлення

Визначення вмісту водню в металі шва, що викликає утворення пор, при зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами. Вміст водню у швах при зварюванні під флюсами АН-348А, АН-60 і дослідним флюсом № 1 збільшували за рахунок введення різної кількості іржі в канавки на зразках і вивідних планках до появи пор у швах. Вміст дифузійного водню в металі шва визначали хроматографічним методом за ГОСТ 23338-91. Методика підготовки і проведення дослідів збігається з описаною вище. Вміст залишкового водню в зварних швах визначали методом газової хроматографії при температурі десорбції 800^оС. Результати аналізу приведено в табл.2.

З таблиці 2 видно, що вміст водню в зварному шві, при якому починають утворюватися пори, для всіх трьох флюсів однаковий і складає 12 - 14 см³/100 г металу шва, що співпадає із розчинністю водню в дельта-залізі при температурі плавлення і тиску 1 атм.

Для оцінки стійкості зварних швів проти утворення пор при зварюванні низьковуглецевих і низьколегованих сталей відповідними дротами під плавленими марганцево-силікатними флюсами можна використовувати різницю між вмістом водню у шві, що викликає утворення пор (12 см³/100 г), і фактичним вмістом водню в металі шва.

Таблиця 2 Вміст водню в металі шва при зварюванні під флюсом

*- середнє з трьох значень.

Розробка низьководневих зварювальних флюсів на основі шлакових корок.

Для оцінки придатності шлакових корок трубозварювального виробництва до використання при виготовленні низьководневих зварювальних флюсів було проведено дослідження змін хімічного і фазового складу флюсу, що відбуваються в процесі зварювання. В результаті протікання реакцій взаємодії між металевою, газовою і шлаковою фазами при зварюванні в шлаковій корці незначно знижується вміст фторида кальцію, фосфору, сірки, оксиду кремнію й оксиду марганцю, а також збільшується концентрація оксиду заліза й оксиду кальцію в порівнянні з вихідним флюсом. За більшістю компонентів шлакові корки відповідають вимогам до хімічного складу вихідних флюсів. Однак вміст оксиду заліза в шлаковій корці перевищує припустимий для марганцево-силікатних флюсів (не більше 2 %). Додаткове дослідження показало, що шлакові корки містять металеві краплі, які враховуються при аналізі у вигляді оксиду заліза. Фактичний вміст оксиду заліза в шлаковій корці складає 2 - 3 %.

Дослідження будови і фазового складу шлакової корки флюсу АН-60, виконане методами ДТА- і рентгенструктурного фазового аналізу, показало, що шлакова кірка містить склоподібну і кристалічну складові. Остання складається з альфа - SiО₂, тефроіту 2MnO-SiО₂ і складних силікатів (Fe,Ca,Mn)SiО₃ - типу бустаміту.

На підставі проведених досліджень було зроблено висновок про те, що в процесі зварювання не відбувається істотних змін у будові і складі флюсу, які б виключали можливість застосування шлакових корок при виготовленні низьководневих флюсів без повторного переплавлення в печі.

Дослідні флюси № 1 і № 2, виготовлені із шлакових корок флюсу АН-60 і суміші флюсів АН-60 + АН-67А відповідно, що утворюються при зварюванні труб на Харцизькому трубному заводі, були випробувані при зварюванні в порівнянні з флюсом АН-60 і марганцево-силікатним плавленим флюсом G-60 виробництва фірми KOBE Steel, Японія. Для випробувань брали сталь 09Г2 товщиною 14 мм і дріт KD-50 (типу Св-10Г2) (виробництва KAWASAKI Steel, Японія) діаметром 4 мм. Виконували двосторонній симетричний шов на постійному струмі зворотної полярності. Режим зварювання: І_зв = 650-700 А, U_д = 36-38 В, V_зв = 24 м/год.

Дослідні флюси №1 і №2 забезпечують добре формування зварних швів. Ударна в'язкість металу шва при зварюванні під ними вища за рахунок меншого забруднення зварних швів неметалевими включеннями і нижчого вмісту газів (табл.3). Розробленим низьководневим дослідним флюсам № 1 і № 2 присвоєно марки АН-60СМ і АН-68СМ відповідно.

Розроблено промислову технологію виготовлення низьководневих зварювальних флюсів на основі переробки шлакових корок трубозварювального виробництва, яка включає очищення шлакової корки від часток флюсу, великих металевих предметів, двостадійне дробіння на щоковой і валковій дробарці, магнітну сепарацію металевих крапель і окалини, розсів на ситі бурат чи грохоті і сушіння в печі барабанного типу. На підставі виданих рекомендацій з вибору технологічного устаткування створені ділянки по виробництву флюсів АН-60СМ і АН-68СМ на Харцизькому і Новомосковському трубних заводах.

Таблиця 3 Показники якості зварних швів при зварюванні під флюсом

^* - середнє з трьох значень.

Флюс АН-60СМ (ТУУ 05416923.013-96) випробуваний при зварюванні різних виробів і впроваджений при зварюванні побутових газових балонів на Харцизькому трубному заводі і Дружковському заводі газової апаратури, колес на Кременчуцькому колесному заводі замість суміші флюсів АН-348А і АНК-3, що використовувалася там. Флюс АН-60СМ допущений Річковим Регістром до застосування при зварюванні сталей категорії B по категорії II зварювальних матеріалів на Київському суднобудівельно-судноремонтному заводі. Сполучення флюсу АН-60СМ і дроту Св-10ГН відповідає категорії 3Y і допущено Морським Регістром Судноплавства до застосування при зварюванні сталей категорії Д-40.

На основі шлакових корок суміші флюсів АН-60 і АН-67А розроблено плавлений флюс АН-68, призначений для зварювання труб з підвищеною швидкістю. На спосіб його виготовлення і склад отримано Патент України. Виробництво флюсу АН-68 освоєно в промислових електродугових печах на Новомосковському трубному заводі. За результатами випробувань флюс АН-68 рекомендований до застосування на Харцизькому трубному заводі при зварюванні газопровідних труб зі сталей 13ГС, 13Г1СУ, 09Г2ФБ, 10Г2ФБ.

ВИСНОВКИ

1. Марганцево-силікатні плавлені флюси містять значну кількість водню у формі ОН-груп, що виділяється при нагріванні вище температури 800^оС, причому основна частина гідроксильних груп видаляється при температурах нагрівання, близьких до температури плавлення флюсу (близько 1000-1100^оС).

2. Компоненти шихти, які використовуються при виготовленні зварювальних плавлених флюсів, вносять до 10⁴ см³ потенційного водню на 100 г виплавлюваного флюсу і є основним джерелом надходження водню у флюс в процесі його виробництва.

3. При плавці флюсу в печі відбувається розчинення в ньому водню у формі гідроксильних груп. При збільшенні температури марганцево-силікатного шлакового розплаву з 1400^оС до 1700^оС вміст водню в ньому зменшується з 40,6 до 6,9 см³/100 г. У результаті зливу шлакового розплаву у воду загальний вміст водню в готовому флюсі збільшується непропорційно в залежності від температури шлаку перед грануляцією: при 1400^оС - на 8-12 % , при 1500 -1530^оС - у 3-4 рази, при 1700^оС - в 10 разів у порівнянні з його вмістом у розплаві. Для одержання низьководневих зварювальних плавлених флюсів необхідно доводити температуру шлакового розплаву до 1700^оС і виключити його контакт із водою при грануляції.

4. При плавленні флюсу АН-60 у процесі зварювання з нього виділяється основна кількість водню. Загальний вміст водню при цьому знижується з 66-96 см³/100 г у вихідному флюсі до 14-16 см³/100 г у шлаковій корці. Флюс АН-60СМ, виготовлений шляхом дробіння шлакової корки флюсу АН-60 (суха грануляція), відрізняється мінімальним у порівнянні з марганцево-силікатними плавленими флюсами АН-348А, ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-60 вмістом водню і більш низькими температурами його термічної десорбції (до 600^оС). Завдяки цьому забезпечується найменший вміст дифузійного водню в наплавленому металі при зварюванні під флюсом АН-60СМ (2,6 см³/100 г) у порівнянні з електроплавленим флюсом АН-60 (6 см³/100 г) і флюсом АН-348А, виплавленим у газополуменевій печі (9,5 см³/100 г).

5. Вміст дифузійного водню в наплавленому металі при зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами знаходиться в прямій залежності від кількості розчиненого в них у формі ОН-груп водню, що виділяється з флюсів при температурі нагрівання, близькій до температури плавлення флюсів (990^оС).

6. Вміст водню в металі шва, при перевищенні якого у швах при зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами утворюються пори, складає 12 - 14 см³ на 100 г металу шва. Для оцінки стійкості швів проти утворення пор при зварюванні низьковуглецевих і низьколегованих сталей відповідними дротами під марганцево-силікатними плавленими флюсами можна використовувати різницю між вмістом водню у шві, що викликає утворення пор (12 см³/100 г), і фактичним вмістом водню в металі шва.

7. На основі проведених досліджень хімічного і фазового складу шлакових корок трубозварювального виробництва встановлена можливість їх використання при виготовленні низьководневих флюсів без повторного переплавлення в печі. Розроблено склади і технологію виготовлення флюсів АН-60СМ, АН-68СМ, АН-68, що впроваджені при зварюванні різних виробів.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Кузьменко В.Г., Гончаров И.А. Особенности образования шлаковой корки при дуговой сварке// Автоматическая сварка.-1997.-N 12.-С.7-13.

2. Гончаров И.А., Токарев В.С., Пальцевич А.П., Харченко Н.П., Веблая Т.С. О форме существования водорода в сварочных плавленых флюсах// Автоматическая сварка.-2001.-N 4.- С.28-32.

3. Гончаров И.А., Пальцевич А.П., Токарев В.С. Влияние водорода в низколегированном металле шва на порообразование при сварке под флюсом// Автоматическая сварка.-2001.-N 7.-С.21-23.

4. Патент України 35029А, МКИ В23К 35/00. Білий І.І., Боровиков О.В., Гончаров І.О., Гурман В.Г., Дерментлі Ф.С., Кудін Г.Г., Кузьменко В.Г., Куцин В.С., Негляд В.М., Притоманов С.О., Репкін М.Б., Танічев О.Г., Токарев В.С. Спосіб виготовлення зварювального плавленого флюса; Заявл.30.07.1999; Опубл. 15.03.2001. Бюл. N 2.- 1с.

5. Гончаров И.А., Токарев В.С., Кузьменко В.Г. Разработка флюса общего назначения на базе шлаковой корки флюса АН-60// В кн.: "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва". Том IV.- Київ: Вид. НТУУ "Київський політехнічний інститут",1998 .-С. 227-231.

6. Гончаров И.А., Токарев В.С., Пальцевич А.П., Кузьменко В.Г. Флюс, ограничивающий содержание водорода в сварном шве // В кн.: "Состояние и перспективы развития сварочных материалов в странах СНГ: Сборник докладов I международной конференции по сварочным материалам стран СНГ(Краснодар, 22-26 июня 1998 г.).-М.: ОАО"АО Спецэлектрод",1998.- С.164-167.

7. Гончаров И.А., Токарев В.С., Пальцевич А.П. О новом подходе к предупреждению пористости сварных швов при сварке под плавлеными флюсами // Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже XXI века. Сборник докладов II Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ (г. Орел, 4-8 июня 2001 г.).-Орел:Ассоциация "Электрод",2001.- С.192-194.

8 . Гончаров И.А., Пальцевич А.П., Токарев В.С. Разработка нового низководородного сварочного флюса, обеспечивающего повышенную устойчивость сварных швов к порообразованию// Материалы международной научно-практической конференции и выставки "Проблемы обеспечения качества в сварочном производстве (г. Киев, 3-6 апреля 2001 г.).- Киев: УИЦ" Наука. Техника. Технология", 2001.- С.14.

9. Гончаров И.А., Пальцевич А.П., Токарев В.С. Низководородный сварочный флюс, обеспечивающий повышенную стойкость сварных швов к порообразованию// Сварщик.-2002.-N 1.-С.12-13.

10. Гончаров И.А., Токарев В.С., Кузьменко В.Г. Разработка нового флюса общего назначения с улучшенными сварочно-технологическими характеристиками // Тезисы докладов Международной научно-методической конференции “Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствования подготовки кадров”.- Мариуполь: изд. ПГТУ, 1996.- С.94.

11. Гончаров И.А., Токарев В.С., Пальцевич А.П., О влиянии способа производства сварочных флюсов на их качество // Тезисы докладов международного научно-технического семинара "Сварка под флюсом сегодня и завтра" (г.Запорожье, 3 - 6 сентября 1998 г.).- Киев: изд. ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 1998.- С.21-23.

12. Гончаров И.А.,Токарев В.С. История создания и применения флюса АН-348А//Тезисы докладов международного научно-технического семинара "Сварка под флюсом сегодня и завтра" (г.Запорожье, 3 - 6 сентября 1998 г.). - Киев: изд. ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 1998 .-С.1-2.

13. Тарара А.А., Гончаров И.А., Токарев В.С., Кузьменко В.Г. Об опыте использования отходов флюса трубосварочного производства// Тезисы докладов международного научно-технического семинара "Сварка под флюсом сегодня и завтра" (г.Запорожье, 3 - 6 сентября 1998 г.). - Киев: изд. ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 1998.-С.50-52.

14 . Гончаров И.А., Пальцевич А.П., Токарев В.С. Научные основы создания низководородного сварочного флюса// Тезисы докладов I всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Сварка и родственные технологии" (22-24 мая 2001 г.).- Киев: изд. ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 2001.- С . 32.

АНОТАЦІЇ

Гончаров І.О. Розробка низьководневих зварювальних флюсів марганцево-силікатного типу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології.- Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, Київ, 2002.

В роботі проведено експериментальні дослідження впливу технології виготовлення плавлених флюсів на вміст в них водню та характер його десорбції під час нагріву. Встановлено, що із зростанням температури шлакового розплаву зменшується вміст водню, що розчиняється у флюсі під час плавлення в печі у формі ОН-груп. При грануляції розплаву у воду вміст водню у флюсі збільшується непропорційно в залежності від температури шлаку. Доведено існування прямої залежності між кількістю розчиненого в марганцево-силікатних плавлених флюсах водню, який видаляється із флюсів при температурах нагріву, близьких до температури їх плавлення (990^оС), та вмістом дифузійного водню у наплавленому металі при зварюванні під ними. Встановлено, що вміст водню в металі шва при зварюванні під марганцево-силікатними плавленими флюсами, який викликає утворення пор, становить 12-14 см³/100 г металу шва.

Розроблено низьководневі флюси АН-60СМ, АН-68СМ, АН-68, створено технологію їх виготовлення на основі переробки шлакових корок трубозварювального виробництва та впроваджено їх при зварюванні.

Ключові слова: зварювальний флюс, метал шва, пори, водень, шлакова корка.

Goncharov I.O. Development of low-hydrogen welding fluxes of manganese-silicate type. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences degree on a speciality 05.03.06 - Welding and related technologies.- Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2002.

The experimental researches of influencing of production process of fused fluxes on the contents in them of hydrogen and nature of its desorption during heating are conducted. It is established, that with increasing of temperature of a slag melt the contents of hydrogen decreases, which one solves in a flux in a melting time in furnace in the shape of OH - groups. At a granulation of a melt in water the contents of hydrogen in a flux is augmented disproportionately in dependence of slag temperature. The existence of direct relation between quantity dissolved in manganese-silicate fused fluxes of hydrogen, which one leaves from fluxes at heating temperatures, close to temperature of their melting (990^oC), and contents of diffusive hydrogen in a weld metal at welding under them, is established. It is determined, that the contents of hydrogen in a weld metal at welding under manganese-silicate fused fluxes, at which the pores are formed, amounts 12-14 ml/100 g of a weld metal.

Low-hydrogen fluxes of AN-60SM, AN-68SM, AN-68 grades are designed and introduced at welding. The technology of their manufacturing is built on the basis of processing of slag crusts of pipe welding production.

Keywords: welding flux, weld metal, pores, hydrogen, slag crust.

Гончаров И.А. Разработка низководородных сварочных флюсов марганцевосиликатного типа.- Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - Сварка и родственные технологии.- Институт электросварки им.Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2002.

Методом термической десорбции с хроматографическим анализом выделившихся газов установлено, что марганцевосиликатные плавленые флюсы содержат значительное количество водорода в форме ОН-групп, который удаляется при температурах нагрева, близких к температуре плавления флюсов. Водород растворяется в марганцевосиликатных флюсах при их выплавке в печи. При увеличении температуры шлакового расплава количество водорода в нем уменьшается с 40,6 до 6,9 см³/100г. В результате слива шлакового расплава в воду общее содержание водорода в готовом флюсе возрастает непропорционально в зависимости от температуры шлака перед грануляцией: при 1400^оС - на 8-12 % , при 1500 -1530^оС - в 3-4 раза, при 1700^оС - в 10 раз по сравнению с его содержанием в расплаве.

Для получения низководородных флюсов температуру шлакового расплава необходимо доводить до 1700^оС и исключить его контакт с водой при грануляции. Этого можно достигнуть при выплавке флюса в электродуговой печи с последующей сухой грануляцией расплава. Такие условия обеспечиваются при расплавлении флюса электрической дугой в процессе сварки. Образующиеся шлаковые корки содержат около 14 - 16 см³ водорода на 100 г вещества. На основе шлаковой корки флюса АН-60 разработан флюс АН-60СМ. Он отличается от выпускаемых промышленностью марганцевосиликатных флюсов наименьшим содержанием водорода и более низкими температурами его десорбции (до 600^оС). Благодаря этому обеспечивается меньшее содержание диффузионного водорода в наплавленном металле (2,6 см³/100 г) при сварке под ним по сравнению с флюсами, выплавленными в электродуговой (6 см³/100г) и газопламенной печи (9,5 см³/100 г).

Установлено, что существует прямая зависимость между содержанием диффузионного водорода в наплавленном металле при сварке под марганцевосиликатными плавлеными флюсами и количеством растворенного в них водорода, который выделяется из флюсов при температуре нагрева, близкой к температуре плавления флюса(990^оС). Содержание водорода в сварном шве, вызывающее образование пор, при сварке под марганцевосиликатными плавлеными флюсами составляет 12 - 14 см³/100 г металла шва. Для оценки стойкости швов против образования пор при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей соответствующими проволоками под плавлеными марганцевосиликатными флюсами можно использовать разность между содержанием водорода в шве, вызывающем образование пор (12 см³/100 г), и фактическим содержанием водорода в металле шва.

Проведено исследование изменений химического и фазового состава флюсов, происходящих при сварке. Установлена возможность использования шлаковых корок трубосварочного производства при изготовлении низководородных флюсов без повторного переплава в печи и на их основе разработаны флюсы АН-60СМ и АН-68СМ. Создана и освоена в условиях Харцызского и Новомосковского трубных заводов технология изготовления флюсов АН-60СМ, АН-68СМ, АН-68, которые были внедрены при сварке различных изделий.

Ключевые слова: сварочный флюс, металл шва, поры, водород, шлаковая корка.

Размещено на Allbest.ru