Взаємодія металу зі шлаком при зварюванні під агломерованими флюсами низьколегованих сталей

Найбільш радикальний шлях зниження вмісту вологи в компонентах агломерованих флюсів - це використання компонентів, що пройшли операцію плавлення. Для реалізації цього напрямку були виплавлено дослідні зразки синтетичних шлаків. Одні партії таких шлаків після виплавки були гранульовані “мокрим” методом (тобто у воду), а інші - “сухим” методом (на товсту металеву плиту). За результатами хроматографічного аналізу було встановлено, що в шлаках “мокрої” грануляції міститься 303 см3 водню на 100г шлаку, а в шлаках “сухої” грануляції - 241 см3 на 100г шлаку. З використанням синтетичних шлаків були виготовлені дослідні партії агломерованих флюсів, до складу яких входило 78...82 % синтетичних шлаків. Аналіз зразків металу, наплавленого під цими флюсами, показав, що в них міститься 1,3...1,5 см3 водню на 100г розплавленого металу.

Створення зварювальних агломерованих флюсів, що забезпечують знижений вміст водню в наплавленому металі, неможливо без розгляду проблем, пов'язаних з гігросорбційною здатністю сухого залишку рідкого скла.

Твердіння силікатних розчинів відбувається з утворенням аморфних твердих фаз відповідно до реакції

SiOH + Si - ? Si-O-Si + OH -

У процесі прожарювання флюсу відбувається видалення гідратаційної вологи з отверділого силікатного зв'язуючого з утворенням кремнеземного каркаса з низьким вмістом вологи. Лужні іони в поверхневих шарах твердіючого зв'язуючого формують структури, що визначають схильність сухого залишку рідкого скла до гідратації вологи з повітря. З метою зниження вмісту водню в металі, наплавленому під агломерованими флюсами, доцільно використовувати в якості в'яжучого літійвміщуючі силікатні стекла, тому що цей елемент здатний реагувати з вуглекислим газом з утворенням нерозчинного безводного карбонату літію.

У результаті досліджень було встановлено, що при використанні рідкого скла, у якому вміст Li2O у лужному радикалі Na2O + Li2O знаходиться в межах 60...70 % можливе одержання зварних швів, що містить водню не більш 1,5 см3 на100г наплавленого металу. Було встановлено, що для одержання металу швів низьколегованих сталей з наднизьким вмістом водню (менш 3 см3 на100г наплавленого металу), технологію підготовки агломерованих флюсів до зварювання треба вибирати таким чином, щоб вміст у них вологи було не більш 0,03 %.

Створення нових агломерованих флюсів для зварювання низьколегованих сталей підвищеної міцності. Проведений комплекс робіт дозволив підійти до вирішення проблеми створення флюсів для зварювання конструкцій із сучасних низьколегованих сталей з урахуванням результатів теоретичних і експериментальних досліджень в області металургії зварювання під агломерованими флюсами. З цією метою була виконана розробка складів агломерованих флюсів, що забезпечують у сполученні з низьколегованим зварювальним дротом одержання зварених швів заданого хімічного складу і з прогнозованою структурою при зварюванні низьколегованих сталей підвищеної міцності.

В Україні найбільший обсяг споживання флюсів приходиться на такі галузі промисловості як суднобудування і трубозварювальне виробництво, де частка використання автоматичного дугового зварювання істотно перевищує 50 %. На території України розташовані понад десяток суднобудівних і судноремонтних підприємств, що здійснюють будівлю і ремонт судів різного призначення, починаючи від самохідних барж і буксирів і закінчуючи авіаносцями і великотонажними танкерами. В останні роки вітчизняні верфі перейшли на будівництво судів під наглядом таких міжнародних сертифікаційних установ як Lloyd Register і Det Norske Veritas. Для задоволення вимог, висунутих Правилами цих установ до механічних властивостей зварних з'єднань, необхідно використання сучасних високоякісних зварювальних матеріалів. Флюс ОСЦ - 45, що використовується у вітчизняному суднобудуванні протягом більш 50 -ти років, не дозволяє забезпечити комплекс механічних властивостей металу швів і зварних з'єднань при зварюванні низьколегованих сталей вище другої категорії, у той час як до сучасних корпусних конструкцій пред'являються вимоги відповідності третій, четвертій, а в деяких випадках навіть п'ятій категорії властивостей.

Флюс ОСЦ - 45 це плавлений флюс марганець - силікатного типу з високим кисневим потенціалом (о ~ 300 кДж/моль). У металі швів, виконаних під цим флюсом, міститься велика кількість неметалевих включень (0,4 - 0,5 %), що за своїм складом відносяться до включень силікатного типу, а феритно - перлітна мікроструктура відрізняється наявністю великих зерен полігонального фериту і низкою часткою голчастого фериту. Метал зварних швів з подібною структурою не забезпечує ударну в'язкість при температурах іспиту нижче 0 ?С.

Ударну в'язкість при температурах іспиту до мінус 20 ?С металу швів низьколегованих сталей можливо забезпечити в тому випадку, якщо вміст голчастого фериту збільшити до рівня не менш 50 %. У наших дослідженнях було показано, що одним з варіантів рішення такої задачі може бути формування в металі швів неметалевих включень типу алюмосилікатів розміром до 1,5 мкм і легування фериту титаном. Таке легування може бути здійснене в тих випадках, коли, використовуються флюси з кисневим потенціалом межах о = 330…340кДж/моль.

Використовуючи метод прогнозування кількості і складу неметалевих включень у металі швів, викладений у Розділі 3, визначаємо склад шлакоутворюючої основи флюсу, побудований на базі шлакової системи MgО - Al2O3 - SiО2 - CaF2, яка має кисневий потенціал у межах - 320…-340 кДж/моль, кількість розкислювачів, що забезпечують вміст кисню в металі шва (не більш 0,04 %) і титану, які необхідно ввести до флюсу для легування твердого розчину металу швів. Як було показано в наших дослідженнях, легування твердого розчину титаном у кількості до 0,005...0,015 % повинно привести до збільшення вмісту голчастого фериту в структурі зварних швів і підвищенню рівня їхньої ударної в'язкості при мінусових температурах. Дані, приведені в табл.7, показують, що, в залежності від кількості феротитану введеного до складу шихти агломерованих флюсів, змінюється вміст титана у твердому розчині, частка голчастого фериту в структурі наплавленого металу і величина роботи руйнування зразків цього металу при температурі мінус 20 С. Вибираємо склад агломерованого флюсу, що забезпечує роботу удару наплавленого металу при температурі іспиту мінус 20 С на рівні 60 Дж, що відповідає третій категорії згідно з вимогами сертифікаційних установ (не нижче 47 Дж при мінус 20 С).

Таблиця 7

Вплив вмісту титана у флюсі на легування твердого розчину, вміст голчатого фериту в структурі металу швів і величину роботи удару зразків зварних з'єднань, виконаних під агломерованими флюсами

На суднобудівних підприємствах України (Чорноморський суднобудівний завод, суднобудівний завод ім. 61 - го комунара) проведені іспити розробленого флюсу, якому була привласнена промислова марка АНК - 561, у зпівставлені зі штатним плавленим флюсом ОСЦ - 45. В усіх випадках був використаний зварювальний дріт марки Св - 10ГН діаметром 5 мм і режими зварювання, розроблені стосовно до сполучення зварювальних матеріалів “флюс АНК - 561 + дріт Св - 10ГН”. Результати іспитів приведені в табл.8, 9.

Таблиця 8

Результати статичних іспитів стикових з'єднань

Таблиця 9

Результати іспитів стикових з'єднань на ударный згиб

Як видно з приведені даних, показники механічних властивостей металу швів, які виконані під флюсом АНК-561, відповідають рівню вимог, пропонованих до зварних з'єднань із суднобудівних сталей категорії D32 і E32.

ВИСНОВКИ

На базі досліджень термодинамічних і кінетичних залежностей взаємодії металу зі шлаком при зварюванні під агломерованими флюсами низьколегованих сталей, побудовані фізико-хімічні моделі, що дозволяють прогнозувати структуру і властивості метал зварних швів.

Основні наукові положення роботи, встановлені закономірності, запропоновані принципи і засоби їхньої реалізації полягають у наступному:

1. На основі вивчення впливу кисневого потенціалу агломерованих флюсів на формування неметалевих включень, створено інтегровану фізико-хімічну модель утворення неметалевих включень у металі швів, що враховує особливості росту і конденсування неметалевої фази в зварювальній ванні й в області твердо - рідкого стану металу шва. Розроблено комп'ютерну програму, яка дозволила виконати розрахунки складу і кількості неметалевих включень з урахуванням термодинаміки і кінетики металургійних реакцій, що протікають у шлаковій і металевій фазах, а також технологічних параметрів процесу зварювання.

2. Виходячи з проведених розрахунків встановлено, що для зварювання низьколегованих сталей доцільно використовувати флюси, кисневий потенціал яких знаходиться в межах ( 370...340) кДж/моль. Показано, що в зумовленому діапазоні значень кисневого потенціалу, агломеровані флюси сприяють рафінуванню металу зварювальної ванни по неметалевим включенням.

3. Встановлено, що для одержання швів, що мають механічні властивості на рівні основного металу, необхідне використання зварювальних матеріалів, які забезпечують вміст кремнію й алюмінію у твердому розчині металу швів не більш 0,1 % і 0,003 %, відповідно, а вміст титана в межах 0,005...0,015 % . Дотримання цих вимог дозволяє збільшити вміст в зварних швах структурних складових з підвищеною стійкістю до крихкого руйнування.

4. Проведено оцінку основних факторів, що визначають вміст водню в металі швів при зварюванні під агломерованими флюсами. Для одержання наднизьких вмістів водню в металі швів низьколегованих сталей (менш 3 см3 на 100г) запропоновано використання флюсів, що забезпечують парціальний тиск кисню над розплавом шлаку в межах lgpo = 9,5...10,5 і спеціальні технологічні прийоми виготовленні низьководневих агломерованих флюсів.

5. На основі розроблених комп'ютерних моделей і з використанням експериментально числових методів створені агломеровані флюси АНК-57, АНК-561 (Патенти України 5156, 5157) для зварювання низьколегованих сталей підвищеної міцності, що забезпечують формування металу зварних швів з високим вмістом в'язких структурних складових та властивостями міцності на рівні суднобудівних сталей категорії D36, E36 і вмістом дифузійного водню не більш 1,5 см3/100г. Зварювально-технологічні властивості розроблених флюсів дозволяють їхнє використання в широкому діапазоні технологічних режимів.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НИЖЧЕ ПЕРЕЛІЧЕНИХ РОБОТАХ

1. Effect of acicular ferrite (AF) structure on micromechanism of weld metal brittle fracture / Pokhodnja I.K., Korsun A.O., Golovko V.V. et all. - IIW Doc. II-1549-88- К.:PEWI, 1988. - 12 p.

2. Golovko V.V., Kushnerev D.M., Shvachko V.I. Oxidizing potential of bonded fluxes. IIW Doc. XII-1106-89.- К.:PEWI, 1989. - 8 p.

3. Golovko V.V. Methods of determination of welding flux oxidation potential. IIW Doc. 1111-89. - К.:PEWI, -17 p.

4. Golovko V.V. Application of calculation procedure to estimate the effect of slag oxidizing ability on the low-hydrogen weld formation in submerged-arc welding. IIW Doc. XII-1200-90. К.:PEWI, -6 p.

5. Походня И.К., Швачко В.И., Головко В.В., Кушнерев Д.М. Масс-спектральное количественное определение активности кислорода // Проблемы спецэлектрометаллургии.- 1989.- №67.- C. 51-56.

6. Походня И.К., Головко В.В., Кушнерев Д.М., Швачко В.И. Оценка окислительной способности керамических флюсов // Автоматическая сварка .- 1990.- №2.- C. 45-48.

7. Головко В.В., Гребенчук В.Г. Свариваемость стали 14ХГНДЦ при различных сочетаниях флюс-проволока // Сварочное производство .- 1991.- №5.- C. 13-15.

8. Головко В.В., Гребенчук В.Г. Хладостойкость сварных соединений стали 14ХГНДЦ при сварке под флюсом // Сварочное производство .- 1992.- №3.- C. 11-12.

9. Головко В.В., Подгаецкий В.В., Бондаренко Т.П. Окисленность шлаковых расплавов системы MgO-Al2O3-SiO2-CaF2 // Автоматическая сварка .- 1993.- №9.- C. 28-30.

10. Головко В.В. Влияние физико-химических свойств флюса на движение жидкого металла в сварочной ванне // Автоматическая сварка .- 1994.- №9-10.- C. 20-23.

11. Головко В.В., Климкин П.А. Неметаллические включения в металле швов, полученных при сварке под основными керамическими флюсами // Автоматическая сварка .- 1995.- №1.- C. 19-22.

12. Головко В.В. Сварка под флюсом пульсирующей дугой (Обзор) // Автоматическая сварка.- 1995.- №12.- C. 14-18.

13. Походня И.К., Головко В.В., Денисенко А.В., Грабин В.Ф. Влияние кислорода на образование структуры игольчатого феррита в низколегированном металле сварных швов (Обзор) // Автоматическая сварка.- 1999.- №2.- С. 3-10.

14. Головко В.В. Моделирование состава неметаллических включений в металле сварных швов высокопрочных низколегированных сталей // Автоматическая сварка.- 2001.-№5.-С. 3-7.

15. Головко В.В. Пути снижения содержания водорода в металле сварных соединений низколегированных сталей за счет металлургической активности флюсов // Автоматическая сварка .- 2005 .- №12 .- С.

16. Пат. 5155 Україна, МКІ В 23 К 35/362. Керамічний флюс для зварювання низьколегованих сталей / Походня І.К., Кушнерев Д.М., Головко В.В. (Україна); ІЕЗ ім.Є.О.Патона.- №35511226; Заявл. 11.02.1983; Опубл.3.01.84; НКИ 28/84.- 3с.

17. Пат. 5156 Україна, МКІ В 23 К 35/362. Керамічний флюс для зварювання низьколегованих сталей / Походня І.К., Кушнерев Д.М., Устинов С.Д., Зарубін А.М., Головко В.В. (Україна); ІЕЗ ім.Є.О.Патона.- №4019513; Заявл. 23.12.1985; Опубл.22.11.86; НКИ 11/87.- 4с.

18. Пат. 5157 Україна, МКІ В 23 К 35/362. Керамічний флюс для зварювання низьколегованих високоміцних сталей / Походня І.К., Кушнерев Д.М., Устинов С.Д., Головко В.В. (Україна); ІЕЗ ім.Є.О.Патона.- №4081558; Заявл. 02.07.1986; Опубл.23.01.92; НКИ 3/92.- 5с.

19. Пат. 4950331 США, МКИ В 23 К 35/34. Ceramic flux for welding low-alloy steels / Igor K. Pokhodnya, Daniil M. Kushnerev, Sergei D. Ustinov, Viktor V. Golovko (Україна); ІЕЗ ім.Є.О.Патона.- №378168; Заявл.11.07.1989; Опубл. 21.08.1990; НКИ 19/90.- 14с.

20. Пат. DE 3923387 A1, ФРГ, МКИ В 23 К 35/362. Keramisches Schwesspulver zum Schwessen niedriglegierter /Pochodnja I.K., Kushnesev D.M., Ustinov S.D., Golovko V.V. (Україна); ІЕЗ ім Є.О.Патона.- №Р 3923387.1; Заявл.14.7.89; Опубл. 24.1.91; НКИ 064/277.- 15с.

21. Пат. 464117, Швеция, МКИ В 23 К 35/362. Keramiskt flussmedel for svetsning av laglegerade stal / Pochodnya I.K., Kushnerev D.M., Ustinov S.D., Golovko V.V. (Україна); ІЕЗ ім Є.О.Патона.- №8902511-8; Заявл.11.07.1989; Опубл. 12.01.1991; НКИ 328/91.- 31с.

22. Кушнерев Д.М., Устинов С.Д., Головко В.В. Керамические флюсы ИЭС им.Е.О.Патона для мехаизированной сварки низколегированных сталей // Сб. докладов Х Всесоюз. конф. по св. материалам. Краснодар.- 1990.- часть П.- С. 104-109.

23. Бондаренко Т.П., Мищенко Д.Д., Головко В.В. Некоторые физико-химические свойства сварочных шлаков. // Сб. докладов конф. “Сварочные материалы для механизированной дуговой сварки сталей” .- Никополь-Киев.: ИЭС им.Е.О.Патона .- 1991.- С. 33-37.

24. Головко В.В. Оценка расчетным методом возможности получения металла швов с низким содержанием водорода при сварке под флюсом // Сб. докладов конф. “Сварочные материалы для механизированной дуговой сварки сталей” .- Никополь-Киев.: ИЭС им.Е.О.Патона .- 1991.- С. 48-56.

25. Pokhodnja I.K., Grabin V.F., Golovko V.V., Sheiko P.P. Influence of pulse treatment of welding pool with alternating power arc on structure of low-alloy-steel welds during crystallization // Proc. of the Int. welding conf. “Welding science and technology”.- Slovakia, Kosice.- 1996.- Р. 84-86.

26. Походня И.К., Пальцевич А.П., Головко В.В., Котельчук А.С. Технологические и металлургические методы снижения абсорбции водорода при сварке // Сб. докладов международ. конф. по св. материалам стран СНГ. Краснодар, 22-26 июня 1998.- М.- 1998.- С. 1-30.

27. Golovko V.V. Oxygen influence on acicular ferrite formation // Proc. Intr. conf. “HSLA steels`2000”.- Beijing, China. The Metallurgical Industry Press, 30-3 Nov. 2000.- Р. 449-457.

28. Pokhodnya I.K., Golovko V.V., Taraborkin L.A. Сomputer simulation of nonmetal inclusions chemical composition in weld metal // Pros. 6th Inter. Seminar “Numerical analysis of weldability”, Graz-Seggau, Austria, October 1-3, 2001.: TU Graz.- 2001.- Р.

29.Походня И.К., Головко В.В. Флюсы для сварки низколегированных высокопрочных сталей, разработанные в ИЭС им.Е.О.Патона // Сварщик.- 1999.- №1.- С. 8-9.

30.Походня И.К., Головко В.В., Денисенко А.В., Грабин В.Ф. Влиянеи кислорода на образование структуры игольчатого феррита в низколегированном металле сварных швов (Обзор) // Автоматическая сварка .- 1999 .- №2 .- с.3-10, 20.

31.Golovko V.V. Oxygen influence on acicular ferrite formation // Inter. Conf. “HSLA steels'2000” .- Beijing, China, The Metallurgical Industry Press, 30-3 Nov. 2000 .- p.449-452.

32.Головко В.В. Моделирование состава неметаллических включений в металле сварных швов высокопрочных низколегированных сталей // Автоматическая сварка .- 2001 .- №5 .- с.3 - 7.

33.Pokhodnja I.K., Golovko V.V., Taraborkin L.A. Computer simulation of nonmetal inclusions chemical composition in weld metal // IIW Doc. II-A-109-2002 .- 13P.

34.Головко В.В. Применение агломерированных флюсов при сварке низколегированных сталей (Обзор) // Автоматическая сварка .- 2003 .- №6 .- с.37-41.

35.Грабин В.Ф., Головко В.В., Соломийчук Т.Г., Гончаренко И.И., Костин В.А. Анализ структурного состава металла швов, выполненных сварочными проволоками ферритно - перлитного класса // Автоматическая сварка .- 2003 .- №8 .- с.18-23.

АННОТАЦИЯ

К диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 - Сварка и родственные технологии -к.т.н. Головко В.В. на тему “Взаимодействие металла со шлаком при сварке под агломерированными флюсами низколегированных сталей”.

Диссертация посвящена исследованиям термодинамических и кинетических зависимостей взаимодействия металла со шлаком при сварке под агломерированными флюсами низколегированных сталей, построению на их базе моделей, позволяющих прогнозировать структуру и свойства металл сварочных швов.

Изучено влияние изменения кислородного потенциала агломерированных флюсов в широких пределах на формирование неметаллических включений. Исходя из результатов исследований, создана интегрированная физико-химическая модель образования неметаллических включений в металле сварных швов. Модель описывает процессы роста и конденсирования неметаллической фазы в сварочной ванне и в области твердо - жидкого состояния металла шва. Разработана компьютерная программа, проведены расчеты состава и количества неметаллических включений с учетом термодинамики и кинетики металлургических реакций, протекающих в шлаковой и металлической фазах, а также изменений технологических параметров процесса сварки.

Определен диапазон значений кислородного потенциала флюсов, при использовании которых в металле швов образуются неметаллические включения, способствующие формированию определенных структурных составляющих металла шва.

Показано, что использование агломерированных флюсов позволяет осуществлять направленное легирование твердого раствора металла швов, управлять их структурой и свойствами.

Предложены сочетания флюсов и проволок, которые обеспечивают дозированное легирование твердого раствора титаном, алюминием и получение механических свойств сварных швов на уровне основного металла.

Проведена оценка основных факторов, определяющих содержание водорода в металле швов при сварке под агломерированными флюсами. Для получения сверхнизких содержаний водорода в металле швов низколегированных сталей (менее 3 см3 на 100г ) предложены пути регулирования парциального давления кислорода и водорода над расплавом шлака и технология изготовления низководородных агломерированных флюсов.

Для прогнозирования составов агломерированных флюсов и механических свойств сварных швов созданы компьютерные программы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процессов взаимодействия металла со шлаком послужили научной базой разработки агломерированных флюсов АНК-57 и АНК-561 для сварки конструкций из низколегированных сталей. Составы флюсов оригинальны и запатентованы (Патенты Украины № 5156, 5157).

Результаты работы нашли промышленное применение и получили одобрение Российского Морского Регистра судоходства, Det Norske Veritas и Lloyd Register для изготовления конструкций общего судостроения.

АНОТАЦІЯ

Дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання і споріднені технології -к.т.н. Головко В.В. на тему “Взаємодія металу зі шлаком при зварюванні під агломерованими флюсами низьколегованих сталей”.

Вивчено вплив кисневого потенціалу агломерованих флюсів формування неметалевих включень. Розроблено комп'ютерну програму, яка дозволяє виконувати розрахунки складу і кількості неметалевих включень з урахуванням термодинаміки і кінетики металургійних реакцій, які протікають у шлаковій і металевій фазах, а також технологічних параметрів процесу зварювання. Показані можливості агломерованих флюсів щодо управління структурою і властивостями металу швів. Запропоновано шляхи регулювання парціального тиску кисню і водню над розплавом шлаку і технологія виготовлення низководневих агломерованих флюсів. Розроблені агломеровані флюси нового покоління для зварювання конструкцій з низьколегованих сталей.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: ЗВАРЮВАННЯ, МЕТАЛУРГІЯ, АГЛОМЕРОВАНИЙ ФЛЮС, ШЛАК, НИЗЬКОЛЕГОВАНІ СТАЛІ, МЕТАЛ ШВА, СТРУКТУРА, НЕМЕТАЛЕВІ ВКЛЮЧЕННЯ.

флюс агломерований сталь низьколегований

ANNOTATION ON THESIS

“Interaction between metal and slag during submerged-arc welding of low alloyed steels”

There was investigated action oxygen potential of agglomerated fluxes on nonmetal inclusions formation. Computer program was developed for calculation chemical composition and quantity of nonmetal inclusions subject to thermodynamic and thermokinetic of metallurgical reactions, which take place in slug and metal phases, and welding conditions. The abilities of agglomerated fluxes concerning to structures and mechanical properties control was show. There was offer the ways of oxygen and hydrogen partial pressure under melted slug governing, and technology of low hydrogen agglomerated fluxes production. Agglomerated fluxes of new generation were developed for welding of low alloyed steels constructions.

KEY WORDS: WELDING, METALLURGY, AGGLOMERATED FLUX, SLUG, LOW ALLOYED STEELS, NONMETAL INCLUSIONS.

Размещено на Allbest.ru