Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона

УДК 621.791 (042+752)

РОЗРОБКА САМОЗАХИСНОГО ПОРОШКОВОГО ДРОТУ ДЛЯ ЗВАРЮВАННЯ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ В УСІХ ПРОСТОРОВИХ ПОЛОЖЕННЯХ

05.03.06

Зварювання та споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

НАУМЕЙКО Сергей Михайлович

Київ2003

Дисертація є рукописом

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

Науковий керівник: доктор технічних наук Шлепаков Валерій Миколайович Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Замков Вадим Миколайович Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України завідувач відділом

кандидат технічних наук, доцент Сливінський Анатолій Матвійович НТУУ “КПІ” професор

Провідна установа: Український державний морський технічний університет, м.Миколаїв

Захист відбудеться “4” червня 2003 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, 03680, м.Київ-150, МСП, вул.Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, 03680, м.Київ-150, МСП, вул.Боженка, 11.

Автореферат розісланий “22” квітня 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Л.С.Киреєв



АНОТАЦІЯ

Наумейко С.М. Розробка самозахисного порошкового дроту для зварювання низьколегованих сталей в усіх просторових положеннях.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, 2003.

Дисертація присвячена питанням розробки самозахисного порошкового дроту трубчатої конструкції для зварювання металоконструкцій із низьковуглецевих низьколегованих сталей в усіх просторових положеннях.

Досліджуються процеси формування газового захисту при плавленні самозахисного порошкового дроту. Викладаються результати досліджень і розрахунків процесів газоутворення з урахуванням кінетичних параметрів реакцій, обчислених на основі експериментальних даних. Вивчаються металургійні і технологічні шляхи зниження вмісту азоту в металі шва при зварювання порошковим дротом. Визначаються перспективні для рішення поставленої задачі композиції газоутворюючої частини осердя порошкового дроту. зварювання порошковий дріт газоутворення

Розглядаються умови формування структури металу швів, легованих нітридоутворюючими елементами і проводяться результати дослідження впливу легування на характеристики його міцності й ударної в'язкості. На основі проведених досліджень визначаються області легування системи C-Si-Al-Mn-Ni-Zr, яка забезпечує необхідні механічні властивості металу шва і зварного з'єднання.

Викладаються результати розробки експериментально-розрахункового методу прогнозування зварювально-технологічних властивостей самозахисного порошкового дроту за даними фізико-хімічних властивостей солеоксидних фторидно-базисних шлакових систем.

Аналізується ефективність застосування розробленого порошкового дроту.

Ключові слова: дугове зварювання, порошковий дріт, газошлаковий захист, нітридоутворюючі елементи, фізико-хімічні властивості солеоксидних систем, мікроструктура металу шва.



ABSTRACT

NAUMEIKO S.M. Development of self-shielding flux-cored wire for welding low-alloyed steels in all attitude. -- Manuscript.

Thesis for scientific degree of a candidate of technical sciences on speciality 05.03.06 --“Welding and related technologies”. -- E.O. Paton Electric Welding Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2003.

The thesis is dedicated to problems of development of self-shielding flux-cored wire for all position welding of low-carbon low-alloyed steels.

The processes of formation of gas shielding are investigated at melting of self-shielding flux-cored wire. The results of researches and calculations of processes of gas-generation are considered having taken into account kinetic parameters of reactions calculated on the basis of experimental data. Metallurgical and technological ways of lowering of nitrogen content in weld metal are studied. Perspective compositions gas and slag forming of the core of flux-cored wire for the solution of the given problem are determined.

Conditions of a formation of multipass weld metal microstructure alloyed with nitrideforming elements are considered, and the alloying effects on the characteristics of strength and impact toughness are studied. In result of the carried out researches, the rational alloying system C-Si-Al-Mn-Ni-Zr and ranges of alloying are determined to ensure the required mechanical properties of the weld metal.

Results of development of an experimental-calculation method for prediction of welding and technological properties of self-shielding flux-cored wire on the basis of physical and chemical properties of salt-oxide slag systems are given.

The effectiveness of application of the developed flux-cored wire is analysed.

Keywords: arc welding, flux-cored wire, gas and slag shielding, nitrideforming elements, physical and chemical properties slag systems, weld metal microstructure.



АННОТАЦИЯ

НАУМЕЙКО С.М. Разработка самозащитной порошковой проволоки для сварки низколегированных сталей во всех пространственных положениях.Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.03.06-“Сварка и родственные технологии”. - Институт электросварки им.Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена вопросам разработки самозащитной порошковой проволоки трубчатой конструкции для сварки металлоконструкций из низкоуглеродистых низколегированных сталей во всех пространственных положениях.

Исследуются процессы формирования газовой защиты при плавлении самозащитной порошковой проволоки. Излагаются результаты исследований и расчетов процессов газообразования с учетом кинетических параметров реакций, вычисленных на основе экспериментальных данных. Подтверждено, что при сварке со свободным формированием шва эффективность шлаковой защиты при использовании фторидно-оксидных смесей возрастает при возрастании шлакообразующих в проволоке.

Изучается металлургические и технологические пути снижения содержания азота в металле шва при сварки порошковой проволокой. Выполнены расчеты образования нитридов в жидком и в твердом металле в зависимости от парциального давления азота и температуры. Определены закономерности поглощения азота металлом при введении нитридообразующих элементов в сердечнике проволоки. Изучается влияние нитридообразующих элементов на образование и распределение неметаллических включений в металле шва.

Рассматриваются условия формирования структуры металла многопроходных швов легированных нитридообразующими элементами и проводятся результаты исследования влияния легирования на характеристики его прочности и ударной вязкости. Излагаются результаты расчетных исследований влияния легирования на соотношение основных структурных составляющих металла шва. На основе проведенных исследований определяется рациональная система и области легирования системы C-Si-Al-Mn-Ni-Zr обеспечивающей необходимые механические свойства.

Излагаются результаты разработки экспериментально-расчетного метода прогнозирования сварочно-технологических свойств самозащитной порошковой проволоки по данным физико-химических свойств солеоксидных фторидно-базисных шлаковых систем. Рассчитано поверхностное натяжение трехкомпонентной шлаковой системы BaF₂-LiF-MgO. На базе теории Ван-Лаара и метода Мелвин Хьюза предложена методика расчета вязкости трехкомпонентных солеоксидных систем.

Приводятся результаты разработки композиции порошковой проволоки и исследований свойств сварных соединений, полученных с ее использованием. Разработана самозащитная порошковая проволока марки ПП-АН60 и комплект нормативно-техничной документации на ее изготовление и применение. Анализируется эффективность применения разработанной порошковой проволоки.

Ключевые слова: дуговая сварка, порошковая проволока, газошлаковая защита, нитридообразующие элементы, физико-химические свойства солеоксидных систем, микроструктура металла шва.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційна робота присвячена розробці самозахисного порошкового дроту малого діаметра для зварювання низьколегованих сталей у всіх просторових положеннях, що забезпечує заданий рівень механічних властивостей зварних з'єднань.

Актуальність теми. Зварювання відкритою дугою самозахисним порошковим дротом є одним з напрямків механізації виготовлення металоконструкцій. Цей спосіб зварювання відрізняє висока продуктивність, маневреність, простота виконання швів різноманітних калібрів і конфігурацій. Переваги його особливо виявляються в умовах монтажного зварювання.

При зварюванні самозахисним дротом трубчатої конструкції проблемою є одержання необхідного рівня механічних властивостей зварних з'єднань через відносно високий вміст азоту в металі шва. Використовування для зв'язування азоту у нітриди легування металу алюмінієм, титаном і цирконієм призводить до погіршення в'язко-пластичних властивостей. Наявних у літературі даних по впливу такого легування на структуру металу шва і регулювання властивостей недостатньо і вони носять суперечливий характер.

Іншою проблемою є забезпечення прийнятних зварювально-технологічних властивостей дротів при зварюванні в різноманітних просторових положеннях. Основою шлакових систем трубчатих дротів є оксидно-фторидні системи. Наявні в науковій літературі відомості про вплив складу сердечника на зварювально-технологічні властивості таких систем обмежені, відсутні достовірні дані про зв'язок фізико-хімічних властивостей шлакових систем із зварювально-технологічними властивостями самозахисних порошкових дротів. Тому виникла науково-технічна задача розробки самозахисного порошкового дроту малого діаметра для зварювання у всіх просторових положеннях, який забезпечує одержання заданих показників властивостей металу шва і зварних з'єднань, зокрема границі текучості не менше 490 МПа й ударної в'язкості не нижче 50 Дж/см² при температурі -20С і високі зварювально-технологічні властивості.

Зв'язок з науковими програмами. Дослідження, виконані для рішення цієї науково-технічної задачі, стали основою дисертаційної роботи. Вони проводились у рамках державних програм Міністерства України у справах науки і технології 4.5/03367 ''Розробити ресурсо - і енергозберігаючі зварювальні матеріали нового покоління спеціального призначення'', 4.4/533 ''Дослідження термохімічних реакцій у дисперсних сумішах матеріалів при високій швидкості нагріву'', пошуковій тематиці 10/14 ''Вплив легуючих елементів на вміст газів і структуру низьколегованого металу шва при зварюванні самозахисним порошковим дротом''

Мета і задачі роботи. Створити самозахисний порошковий дріт малого діаметра для зварювання в усіх просторових положеннях, що забезпечує стабільність одержання якісних з'єднань у реальних умовах виробництва, і забезпечує рівень властивостей металу швів відповідно типу ПС-49 А2В за стандартом ГОСТ 26271.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:

Вивчити кінетику реакцій утворення газошлакового захисту розплавленого металу при плавленні метало-мінеральних композицій сердечника на оксидно-фторидній основі і можливість зниження вмісту азоту в металі швів при зварюванні самозахисним порошковим дротом;

Дослідити закономірності впливу легування металу шва, що містить нітридоутворюючі елементи, на формування структурних складових металу і визначити раціональні рівні легування металу для одержання необхідних показників механічних властивостей металу зварних з'єднань;

Дослідити зв'язок фізико-хімічних властивостей оксидно-фторидних шлакових систем зі зварювально-технологічними властивостями самозахисних порошкових дротів у різноманітних просторових положеннях;

Розробити принципи побудови осердя порошкового дроту і експериментально дослідити зв'язок складу осердя з показниками зварювально-технологічних властивостей і механічних властивостей зварних з'єднань;

Розробити самозахисний порошковий дріт малого діаметра для зварювання низьколегованих сталей у всіх просторових положеннях, що забезпечує заданий рівень властивостей і відповідає типу ПС-49 А2В за стандартом ГОСТ 26271.

Наукова новизна. З використанням даних динамічної термогравіметрії і наступним розрахунком енергії активації й інших кінетичних параметрів термохімічних реакцій газоутворення встановлені кінетичні закономірності генерування захисних газів при нагріванні та плавленні порошкового самозахисного дроту з осердям карбонатно-фторидно-оксидного типу. Виявлено, що найбільш стабільна газова захисна атмосфера в широкому діапазоні швидкостей плавлення утворюється при використанні сумішей карбонатів лужних металів з фторидно-оксидною шлакоутворюючою частиною. Визначені оптимальні співвідношення компонентів (9-12 %(мас.) шлакоутворюючих і 3-5 %(мас.) газоутворюючих) у шихті порошкового дроту, що дозволяють знизити поглинання азоту розплавленим металом при зварюванні відкритою дугою.

На основі чисельного моделювання та експериментального дослідження мікроструктури обгрунтовано та запропоновано систему легування самозахисних порошкових дротів трубчатого перетину, що передбачає використання активних нітридоутворюючих елементів алюмінію та цирконію (відповідно у кількостях Al~0,6...0,7 %(мас.) та Zr~0,01...0,015 %(мас.)) у комплексі з легуванням марганцем та нікелем, що дозволяє регулювати процес перетворення аустеніту при охолодженні металу шва з утворенням пластичних дисперсних складових структури. Визначено діапазони легування (C~0,1…0,15 %(мас.); Si~0,1…0,15 %(мас.); Mn~1,0…1,2 %(мас.); Ni~0,9…1,0 %(мас.); Zr~0,01…0,015 %(мас.))необхідні для забезпечення високих показників міцності та в'язко-пластичних властивостей металу шва зварного з'єднання.

За даними фізичних властивостей шлаків (поверхневого натягу і динамічної в'язкості) розроблені принципи побудови складу шлакоутворюючої частини дроту для зварювання в усіх просторових положеннях. Запропонована методика методика розрахунку в'язкості трьохкомпонентних солеоксидних систем, у якій використовуються для обчислення коефіцієнта в'язкості іонних систем хімічні потенціали одиниць текучості, і виконані розрахунки динамічної в'язкості. Експериментальні дані свідчать про придатність використання розробленої методики для теоретичного дослідження в'язкості солеоксидних шлакових систем.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено самозахисний порошковий дріт (1,6мм і 1,2мм) типу ПС-49 А2В за стандартом ГОСТ 26271 і комплект нормативно-технічної документації на виготовлення і застосування порошкового дроту ПП-АН60.

Проведено дослідно-промислову перевірку застосування дроту ПП-АН60 при зварюванні в монтажних умовах будівельних металоконструкцій. Підтверджено високу якість зварних з'єднань, дріт рекомендовано для промислового виробництва і застосування.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить результати теоретичних і експериментальних досліджень виконаних при особистій участі автора. Визначено кінетичні закономірності виділення газів при нагріванні і плавленні оксидно-фторидно-карбонатних сумішей; виконані розрахунки по утворенню нітридів у рідкому і твердому металі в залежності від парціального тиску азоту і температури; досліджено вплив легуючих елементів на формування структурних складових металу і показники механічних властивостей з'єднань; розраховано поверхневий натяг солеоксидної шлакової системи BaF₂LiFMgО у діапазоні температур 1400-1600С. Запропонована методика розрахунку в'язкості трьохкомпонентних солеоксидних систем, зроблено порівняльну оцінку розрахункових і експериментальних даних. Разом зі співробітниками автором виконана розробка композиції самозахисного порошкового дроту для зварювання в усіх просторових положеннях, отримані результати його випробувань при зварюванні низьколегованих сталей.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались й обговорювалися на I-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і спеціалістів “Зварювання і спорідненні технології” (Ворзель, 2001), Другої міжнародної конференції по зварювальним матеріалам країн СНД “Дугове зварювання. Матеріали і якість на рубежі XXI століття” (Орел, 2001).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 наукових праць і подана заявка на патент України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав з висновками по кожній главі, загальних висновків, списку використовуваної літератури та додатків. Робота містить 165 сторінок, 35 таблиць, 41 малюнок, бібліографію 170 найменувань, 2 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету роботи, відзначені новизна і практичне значення отриманих результатів.

Досвід застосування і проблеми дугового зварювання самозахисним порошковим дротом.

Розгляд техніко-економічних аспектів застосування зварювання в монтажних умовах вказує на актуальність і перспективність розвитку зварювання самозахисним порошковим дротом. Дослідження, що виконані в першу чергу вченими ІЕЗ ім.Є.О.Патона, послужили основою створення дротів, які використовуються в різних областях виробництва і будівництва. Накопичений практичний досвід викликав необхідність удосконалення матеріалів і технологій. Основна проблема, що була виявлена, при зварюванні трубчатими порошковими дротами малого діаметра, полягає в необхідності поліпшення захисних властивостей дротів і властивостей металу шва. Спроби вирішити цю проблему, базуючись на відомих композиціях, показали, що даний процес дуже чуттєвий до появи дефектів у вигляді пор та включень при загальному зниженні показників механічних і зварювально-технологічних властивостей. Це викликало необхідність дослідження утворення газошлакового захисту розплавленого металу, дослідження шляхів зниження азоту в металі при зварюванні самозахисним порошковим дротом трубчатої конструкції, находження шляхів поліпшення в'язкопластичних властивостей зварювальних з'єднань при використанні легування нітридоутворюючими елементами, вивчення взаємозв'язку зварювально-технологічних властивостей порошкового дроту з фізико-хімічними властивостями шлаків.

Дослідження впливу металургійних і технологічних факторів на вміст газів у металі.

Ступінь захисту розплавленого металу від повітря при нагріванні і плавленні порошкового осердя в значній мірі залежить від розвитку реакцій газоутворення при дисоціації карбонатів і фторидів. В якості основного методу дослідження застосовувався термогравіметричний аналіз сумішей у процесі нагрівання. Встановлено, що дисоціація карбонатів ЩМ і ЩЛМ, зокрема карбонату літію, в суміші з фторидами й оксидами відбувається при більш низькій температурі і протікає з перемінною швидкістю. Термічна дисоціація карбонату літію в суміші з фторидами й оксидами відбувається при більш низьких температурах при загальному розширенні самого температурного інтервалу дисоціації. Для визначення ступені виділення газів з моделей осердя в умовах нагрівання, близьких до процесу зварювання порошковим дротом, використовуючи розрахунково-експериментальний метод, побудовані номограми. Експериментальні дані й отримані на їхній основі розрахункові оцінки свідчать про те, що характер газовиділення при плавленні порошкового дроту визначається природою газоутворюючого компонента і швидкістю нагріву (величиною зварювального струму, швидкістю подачі дроту), а також взаємодією окремих компонентів. Встановлено, що рівномірної дисоціації карбонатів у газошлакоутворюючой частини осердя дроту сприяє присутність у суміші з ними фторидів і оксидів, утворюючих розплав, у якому ініциюється розвиток реакцій газоутворення. Таким чином, утворюється захисне газове середовище із СО₂ і летучих фторидів, яке приводить до зменшення парціального тиску азоту в зоні горіння дуги.

Дослідження впливу газошлакового захисту на вміст азоту в наплавленому металі проводили з використанням дротів, які містять різну кількість шлако- і газоутворюючих компонентів в осередді. Встановлено, що збільшення долі шлакоутворюючих у осерді дроту приводить до зниження вмісту азоту в наплавленому металі, що може бути пояснено зменшенням вільної від шлаку поверхні крапель металу і зварювальної ванни. Більш низький вміст азоту в наплавленому металі можна одержати використовуючи фторидно-карбонатні суміші, так як плавлення супроводжується дисоціацією карбонатів. Однак підвищений вміст карбонатів (>5%) приводить до погіршення зварювально-технологічних властивостей дротів. Крім цього, зниження вмісту азоту в металі шва може бути отримано за рахунок раціонального вибору складу газоутворюючої частини осердя дроту. Для самозахисних порошкових дротів карбонатно-фторидного типу на базі шлакової системи BaF₂-LiF-MgO і карбонату літію зниження азоту в металі шва до рівня 0,03 %(мас.) при збереженні задовільних зварювально-технологічних властивостях дротів спостерігається при вмісті в осерді 9-12 % шлакоутворюючих і 2-5% газоутворюючих компонентів від маси дроту.

Запобігання пористості швів і розширення технологічних можливостей дроту при недостатньому газошлаковому захисту можна досягти використовуючи нітридоутворюючі елементи. Наявні літературні дані показують значну різницю у вмісті азоту і кисню в металі швів навіть при співпадаючих системах легування, що може свідчити про помітний вплив окисної спроможності осереддя чи газової фази. Виявлення основних закономірностей такого впливу при використанні різних систем легування металу зажадало проведення спеціальних досліджень.

Для експериментальної перевірки впливу легування і різних технологічних факторів на поглинання азоту були проведені серії експериментів у середовищі захисних газів і на повітрі дротами, що містять Si, Mn, Al, Ti. Розгляд змін вмісту азоту при використанні різноманітних захисних газів показує, що незалежно від окисної спроможності газу вміст азоту в металі шва знаходиться на рівні близькому 0,01-0,02% (крива 3 на рис.4), у той час як при зварюванні на повітрі він складає 0,03 % і вище. Зміна концентрації легуючої домішки незначно впливає на поглинання азоту при використанні захисту вуглекислим газом. При зварюванні на повітрі зміна кількості кремнію і марганцю впливає незначною мірою на вміст азоту у металі. При легуванні металу алюмінієм і титаном, зростання вмісту азоту в металі шва спостерігається по мірі підвищення ступеня легування. Можливість зростання вмісту азоту існує, якщо є умови для протікання реакції утворення нітридів алюмінію або титана в рідкому металі. Тому на основі термодинамічних розрахунків було оцінено утворення нітридів у металевих розчинах у залежності від їхнього складу, температури і парціального тиску азоту в газовій фазі оцінено.

Зменшення концентрації вільного азоту в рідкому металі відповідає вмісту в ньому більше 0,04% титану, 0,08% цирконію і 0,9% алюмінію при парціальному тиску азоту 1 атм, при зварюванні на повітрі (парціальному тиску азоту 0,79 атм) утворення нітридів у металі відбувається при більш високій концентрації нітридоутворюючих елементів (0,045%, 0,09% і 1,0 % відповідно). Перевищення указаних концентрацій елементів приводить до утворення нітридів у рідкому металі, утворюються крупні нітриди. Утворення нітриду алюмінію при охолодженні відбувається по реакції: МеN_тв=Ме(% в аустеніті)+N(% в аустеніті). При охолодженні у твердому металі легованому нітридоутворюючими елементами практично весь азот знаходиться зв'язаним у вигляді дрібнодисперсних нітридів.

При високому вмісті в металі нітридоутворюючих елементів у металі шва можливе утворення крихких структур, у результаті чого пластичність металу знижується. Діапазон легування алюмінієм, у границях якого утворяться дисперсні нітриди, перевищує діапазон легування титаном і цирконієм.

Відомо, що алюміній має велику спорідненість до кисню і тому в рідкій сталі він витрачається на розкислення і нітридоутворення. Для того щоб алюміній витрачався переважно на зв'язування азоту у твердому розчині, а не на утворення оксидів у рідкому металі, доцільно в осердя дроту додатково вводити активні розкислювачі. Основні відомості про форми введення Al і розкислюючих компонентів в дротах і вміст алюмінію, азоту і кисню у наплавленому металі наведені у табл.1. Сумарна кількість нітридоутворюючих і розкислюючих компонентів у всіх зразках залишалась постійною.

Таблиця 1. Вплив алюмомістящих матеріалів на вміст газів у металі шва

Вміст нітридоутворюючих і розкислюючих компонентів в осерді дроту, % (мас.)	Вміст алюмінію і вміст газів у наплавленому металі, % (мас.)
	Al	[O]	[N]
1,5 Al; 2,0 Mg	0,69	0,021	0,044
1,0 Al; 1,0 Mg; 1,5 AlMg	0,67	0,018	0,040
3,5 AlMg	0,63	0,012	0,034
3,5 AlCa	0,62	0,009	0,029
3,5AlBa	0,65	0,015	0,035
1,5 AlMg; 2,0 AlCa	0,60	0,0075	0,026

Розгляд отриманих даних показує, що використання лігатур AlMg і AlCa дозволяє одержати метал з мінімальним вмістом азоту і кисню, що забезпечує більшу технологічну надійність зварювання. Це можливо пояснюється також тим, що ці лігатури мають низьку температуру кипіння, що сприяє захисту розплавленого металу.

Таким чином, використання сумішей карбонату літію з фторидами й оксидами, які утворюють при плавленні порошкового дроту ефективний захист металу, дозволяє знизити вміст азоту в металі шва нижче 0,03%(мас.), що забезпечує одержання безпористого шва, а використання нітридоутворюючих лігатур у осерді дроту (зокрема алюмомагнія й алюмокальція) дозволяють у значній мірі розширити технологічні можливості дроту.

Дослідження впливу комплексного легування металу на структуру і механічні властивості зварних з'єднань, виконаних самозахисним порошковим дротом.

Дослідження спільного впливу алюмінію й азоту на механічні властивості і структуру металу швів і зварних з'єднань проводилося з використанням дослідних дротів. Зварювання виконувалося на постійному струмі прямої полярності на наступному режимі: I_д=250-270 А, U_д=21-22 В. У табл.2 наведені дані по вмісту легуючих і газів у металі швів. Результати випробувань металу шва наведені в табл.3. Незначна зміна міцності металу швів, виконаних дротами, що містять алюміній, пов'язана з малим зміцненням твердого розчину й укрупненням зерен при високих концентраціях алюмінію. При зварюванні алюмомістящими дротами зниження пластичності металу відбувається внаслідок виділення нітридів алюмінію по границям зерен, а також укрупнення розмірів зерен при високих вмістах алюмінію в металі. Діапазон легування алюмінієм, у якому забезпечується достатня пластичність металу швів, обмежується вмістом алюмінію 0,5-0,7 %, причому, більші концентрації алюмінію не викликають крихкості металу тільки при невисокому вмісті азоту в металі шва.

Для дослідження впливу алюмінію на мікроструктуру металу шва були проведені металографічні дослідження. Для металографічних досліджень були відібрані два варіанти дротів, метал шва яких містить різні кількості алюмінію та азоту (0,65 %(мас.)Al, 0,025 %(мас.)N і 1,5 %(мас.)Al, 0,045%(мас.)N). Мікроструктура металу, що містить 0,65 %(мас.)Al, характеризується наявністю високої долі дрібнодисперсного голкового бейніту, в основному нижнього з невеликими ділянками верхнього бейніту і малої долі зернограничного фериту. При вмісті 1,5 %(мас.)Al і 0,045%(мас.)N спостерігається збільшення розмірів зерна від 24 мкм (при низькому вмісті алюмінію) до 32 мкм (при високому вмісті алюмінію) і збільшення долі і розмірів голок верхнього бейніту (від 32 мкм до 78 мкм відповідно). Об'ємна доля неметалевих включень зі збільшенням алюмінію зростає з 0,30 % (Al~0,65 %(мас.)) до 0,38 % (Al~1,5 %(мас.)).

Металографічне дослідження металу шва з високим вмістом алюмінію показало відносно рівномірний розподіл грубих гранених частинок, багато з яких має комплексні форми, які являють собою велики агломерації менших частинок. Мікроскопічні дослідження металу шва з низьким вмістом алюмінію показали відносно рівномірний розподіл більш дрібних сферичних частинок. Дані наведені на рис.8 показують, що при низькому вмісті алюмінію вище доля дисперсних включень ( більш 75 % включень має розмір менше або порядку 1 мкм), чим при високому вмісті алюмінію (більш 75 % включень має розмір менше або порядку 1,5 мкм). За результатами металографічного дослідження можна припустити, що при високому вмісті алюмінію в металі шва агломераційні включення утворилися в рідкому металі, що підтверджують також термодинамічні розрахунки утворення нітриду алюмінію при високому його вмісті в металі, температура якого вище ліквідусу.

Узагальнення результатів вивчення впливу алюмінію на структуру і властивості металу показує, що для практичних розробок більш перспективними є рівні легування алюмінієм до 0,7 % (мас.) при вирішенні проблеми утворення дисперсних складових структури.

Так як алюміній є феритизатором, то для подрібнювання зерна і розширення -області перетворень необхідно легувати метал елементами аустенізаторами, зокрема марганцем і нікелем. Використовуючи модель формування мікроструктури зварного шва і програмне забезпечення, розроблене в ІЕЗ ім.Є.О.Патона НАНУ, проведені модельні дослідження впливу легування марганцем і нікелем на мікроструктуру шва.

Легування марганцем і нікелем сприятливо впливае на структуру металу шва, легованого алюмінієм. Збільшення об'ємної долі голчатого фериту відбувається в основному за рахунок зниження долі зернограничного фериту, що пояснюється впливом марганцю і нікелю на зменшення швидкості росту первичного фериту і розширення -області перетворень. Оцінено вплив легування марганцем (у границях до 1,5 %(мас.) і нікелем до 1,25%(мас.)) на зміну співвідношення основних структурних складових металу шва, і встановлено, що сприятлива мікроструктура металу шва утворюється при його легуванні на рівні, %(мас.): C~0,1…0,15; Si~0,1…0,15; Al~0,6…0,7; Mn~1,0…1,2; Ni~0,9…1,0. Експериментальні дослідження механічних властивостей металу шва підтвердило достатній рівень показників міцності (_т=490…500МПа) і ударної в'язкості при температурі -40С (45...50 Дж/см²).

Дослідження впливу мікролегування цирконієм дозволили встановити, що структура металу шва подрібнюється за рахунок утворення у твердому розчині дисперсних карбідів і карбонітридів цирконію. Для запобігання в металі утворення крупних карбідів цирконію, необхідно вводити цирконій у метал шва в кількостях 0,01...0,015 %(мас.). У цьому випадку крупні карбіди цирконію не утворюються, а утворюються дрібні карбонітриди переважно на включеннях оксиду алюмінію.

Збільшення вмісту в металі шва цирконію більш 0,015 % (мас.) при вмісті вуглецю більш 0,1 % (мас.) призводить до підвищення міцності і зниження пластичності і ударної в'язкості при низьких температурах.

Проведені дослідження й експерименти дозволили встановити, що склад металу шва для забезпечення високих механічних властивостей металу шва і зварного з'єднання має бути в таких границях: C~0,1...0…0,15%(мас.); Mn~1,2...1,3 %(мас.); Si~0,1...0,15 %(мас.); Al~0,6...0,7 %(мас.); Ni~1,0...1,1 %(мас.); Zr~0,01...0,015 %(мас.). На основі отриманих результатів, що викладені вище, проведена розробка й оптимізація складу легуючої частини осердя дроту.

Розробка складу самозахисного порошкового дроту для зварювання у всіх просторових положеннях.

Поверхневий натяг, в'язкость зварювальних шлаків істотно впливає на їхню криющу здатність. У значній мірі від нього залежать якісне формування зварного шва, особливо при зварюванні у вертикальному і стельовому положеннях. У зв'язку з цим проводили дослідження впливу поверхневого натягу і в'язкості шлаку на зварювально-технологічні властивості. Для оцінки впливу поверхневого натягу шлаку використана методика розрахунку поверхневого натягу багатокомпонентних розчинів, розроблена С.І.Попелем і В.В.Подгаецким. Розраховано залежність поверхневого натягу солеоксидної системи BaF₂-LiF-MgO від складу при температурах 1673 К і 1873 К.

Склад шлаків, які утворюються при плавленні дослідних самозахисних порошкових дротів і їхні поверхневі натяги при температурі 1673 К.

Експериментальну перевірку впливу поверхневого натягу шлаків на зварювально-технологічні властивості проводили з використанням дослідних дротів. Шлакам дротів № 1-5 відповідає низький поверхневий натяг. При зварюванні цими дротами спостерігається розтікання шлаку. Шов майже цілком покритий шлаком при використанні дротів № 6, 7 (поверхневий натяг шлаків 320... 350 мДж/м²). При використанні дроту № 8 (поверхневий натяг шлаку 400 мДж/м²) недостатня криюча спроможність шлаку.

У результаті проведених досліджень установлено, що кращі кращі зварювально-технологічні властивості досягаються при зварюванні порошковими дротами, шлаки яких мають поверхневий натяг у границях 300... 350 мДж/м² для даної солеоксидної системи.

Для дослідження в'язкості шлакових систем на базі теорії Ван-Лаара і методу Мелвін-Хьюза розроблена методика оцінки динамічної в'язкості трьохкомпонентних солеоксидних систем, яка полягає у використанні для розрахунку коефіцієнта в'язкості іонних систем хімічних потенціалів одиниць текучості. Порівняння розрахункових і експериментальних даних говорить про придатність її для попередньої оцінки в'язкості шлакових систем. Взаємозв'язок фізико-хімічних і технологічних властивостей шлаку досліджувався на прикладі шлакових систем BaF₂-Me_xO_y і BaF₂-LiF-MgO, що є типовими для зварювальних шлаків самозахисних порошкових дротів. Діаграма плавкості шлакових систем показує істотну зміну фізико-хімічних властивостей розплавів при зміні складу шлаків дослідних порошкових дротів.

Зменшення стікання шлаку при зварюванні на вертикальній площині досягається збільшенням в'язкості шлаку при незначному розширенні інтервалу затвердіння, досягається це за рахунок збільшення в шлаковій системі оксидів магнію і алюмінію з одночасним зниженням долі фториду літію. Такий вплив обумовлюється утворенням у шлаці великих алюмосилікатних комплексів.

Таким чином, знаючи поверхневий натяг шлаку, температурну залежність в'язкості шлаку і температуру затвердіння шлаку можна прогнозувати зварювально-технологічні властивості самозахисних порошкових дротів по показниках криющої спроможністі шлаку і формуванню шва на вертикальній площині.

Викладені результати досліджень дали можливість створити композицію самозахисного порошкового дроту на основі фторидів барію, літію й оксиду магнію і карбонату літію при легуючій системі Al-Mn-Ni-Zr.

Розроблено самозахисний порошковий дріт малого діаметру (1,6 і 1,2 мм) марки ПП-АН60 (ТУ У 28.7-05416923-2002) для зварювання низьколегованих сталей в усіх просторових положеннях, який задовольняє вимогам стандарту ГОСТ 26271 і відповідає типу ПС-49 А2В, а також типу T 50 2 1Ni N S 1 H10 за євростандартом EN 758.

Виконання технологічного процесу зварювання порошковим дротом ПП-АН60 потребує дотримання рекомендованих режимів та техніки зварювання, що узагальнені у розробленій нормативно-технічній документації та регламентах по зварюванню.

Проведена дослідно-промислова перевірка дроту при зварюванні в усіх просторових положеннях будівельних металоконструкцій з низьколегованих сталей у монтажних умовах монтажного майданчика підтвердила високу якість зварних з'єднань. Встановлено, що порошковий дріт забезпечує стабільне горіння дуги, гарне формування швів у нижньому, вертикальному (знизу-вверх та зверху-вниз) і стельовому положеннях швів і забезпечує високу продуктивність. При зварювання дротом спостерігається незначне розбризкування металу і незначне виділення зварювального аерозолю. Механічні властивості зварних з'єднань повністю відповідають вимогам НТД та ДСТУ. Продуктивність у порівняні з ручним зварюванням електродом підвищується на 30…50%. Дріт рекомендований для промислового виробництва.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.При зварюванні самозахисним порошковим дротом трубчатої конструкції використання активних нітридоутворюючих елементів, для запобігання азотної пористості, у кількостях, що призводить до утворення нітридів у рідкому залізі призводить до засмічення металу нітридними включеннями і зниженню в'язко-пластичних властивостей металу шва. Створення ефективного газошлакового захисту металу вимагає спільного рішення проблем одержання необхідних металургійних і технологічних властивостей шлаку і динаміки газовиділення, що не порушує процес плавлення порошкового дроту і перенос електродного металу. Використання солеоксидних сумішей з карбонатами при обмежені кількості нітридоутворюючих є перспективним для регулювання захисних властивостей осердя порошкових самозахисних дротів.

2.Ефективність шлакового захисту при використанні фторидно-оксидних сумішей зростає при зростанні кількості шлакоутворюючих у дроті, оптимальним є кількість шлакоутворюючих в осередді дроту 9-12% від маси дроту, при 3-5% газоутворюючих.

3.Встановлено, що карбонат літію у суміші з фторидно-оксидною системою на основі BaF₂LiFMgO забезпечує кращу динаміку газовиділення у широкому інтервалі температур (від 400 до 1100С) і формує стійкий газовий потік із осердя при зварювальних швидкостях нагріву і плавлення дроту. Запропонована базова шлакоутворююча система сердечника порошкового дроту на фторидно-оксидно-карбонатній основі, що включає композицію фторидів барію і літію, оксиду магнію і карбонату літію.

4.Виявлено, що використання фторидно-оксидно-карбонатної газошлакоутворюючої системи дозволяє отримати бездефектні шви при використанні в якості нітридоутворюючого елемента алюмінію в кількостях менше 0,7% (мас.), що не призводить до утворення нітридів у рідкому металі і дозволяє зв'язувати поглинений азот у нітриди при охолодженні металу шва. Для одержання необхідних в'язко-пластичних властивостей при цьому необхідно шляхом легування через осердя досягти одержання дрібнодисперсних в'язких структурних складових металу шва.

5.Встановлено, що легування через осердя металу шва алюмінієм у комплексі з марганцем і нікелем дозволяє компенсувати несприятливу феритизующу дію алюмінію й отримати високу долю дисперсних складових у твердому металі. Додаткове мікролегування цирконієм сприяє утворенню дисперсних нітридо-карбідних включень. Оптимальний хімічний склад металу шва: C~0,1...0,15 %(мас.); Si~0,1...0,15 %(мас.); Mn~1,0...1,2 %(мас.); Al~0,6...0,7 %(мас.); Ni~0,9...1,0 %(мас.); Zr~0,01...0…0,015%(мас.), який забезпечує високі механічні властивості металу шва і зварного з'єднаня, а саме: границю текучості не нижче 520 МПа й ударну в'язкість не нижче 50 Дж/см² при60С.

6.Ефективне зварювання в різних просторових положеннях може бути реалізоване шляхом регулювання в'язкості і поверхневого натягу шлаків у діапазоні температур плавлення і твердіння. Розрахунково-експериментальним методом встановлені оптимальні діапазони значення поверхневого натягу (300…350 мДж/м² при 1673 К) і температурної залежності динамічної в'язкості (від 0,04 до 0,07 Па*с в діапазоні температур 1200-1600 К). На основі отриманих даних оптімизований склад газошлакоутворюючої частини дроту.

7.Розроблено самозахисний порошковий дріт малого діаметра (1,6 і 1,2 мм) трубчатої конструкції. При зварюванні дротом 1,6 мм забезпечуються наступні механічні властивості: _в=630…640МПа; _т=520…530МПа, 28%, KCV_60С=50...55 Дж/см² , що відповідає вимогам до порошкового дроту типу ПС-49 А2В за ГОСТ 26271. На склад дроту оформлена заявка на патент України №2002053974 від 15.05.2002.

8. Розроблено технічну документацію (ТУ У 28.7-05416923.059-2002) на дріт ПП-АН60.

Проведена дослідно-промислова перевірка дроту при зварюванні будівельних металоконструкцій у монтажних умовах. Досягнуті високі показники якості зварних з'єднань, підвищення продуктивності і якості виготовлення металоконструкцій.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У ТАКИХ РОБОТАХ

Шлепаков В.Н., Гиюк С.П., Наумейко С.М. Новые порошковые проволоки малого диаметра для сварки малоуглеродистых низколегированных сталей в защитных газах. “Сварщик” 1999, №5, стр. 6.

Шлепаков В.Н., Котельчук А.С., Наумейко С.М. Влияние нитридообразующих элементов на состав и структуру низколегированного металла шва. “Автоматическая сварка” 2000, №6, стр. 710.

Shlepakov V.N., Kotelchuk A.S., Naumeiko S.M. Effect of nitride-forming elements on composition and structure of low-alloyed weld metal. “The Paton welding journal” 2000, №6, стр. 69.

Шлепаков В.Н., Наумейко С.М. Влияние поверхностного натяжения солеоксидных сварочных шлаков на показатели сварочно-технологических свойств самозащитной порошковой проволоки. “Автоматическая сварка” 2001, №11, стр. 2427.

Наумейко С.М., Билинец А.В. Влияние легирующих элементов на формирование структурных составляющих металла и показатели механических свойств соединений. I Всеукраинская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов. “Сварка и родственные технологии”, г.Киев, 2001г., тезисы докладов, стр. 1718.

Наумейко С.М. Регулирование сварочно-технологических свойств порошковых проволок по данным физико-химических свойств шлаков. Вторая международная конференция по сварочным материалам стран СНГ. “Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже XXI века” г.Орел, 4-8 июня 2001г., 102106.

Шлепаков В.Н., Наумейко С.М. Расчет вязкости многокомпонентных шлаковых систем порошковых проволок. “Автоматическая сварка” 2003, №5, стр.33-35.

Походня И.К., Шлепаков В.Н., Наумейко С.М. Состав порошковой проволоки. Заявка на патент Украины №2002053974 с приоритетом от 15.05.2002.

Размещено на Allbest.ru

...