CC BY
19РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.25712^Ж2072-8921.2019.03.019 УДК 621.791.016
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Е. А. Иванайский, А. В. Ишков, В. В. Иванайский, А. А. Иванайский
Исследована возможность замены газовой атмосферы при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей. Вместо аргона для защиты корня шва и сварочной ванны применялся монооксид углерода. С использованием энергии Гиббса определялось направление металлургических реакций в сварочной ванне. Выяснено, что предлагаемый защитный газ химически нейтрален к железу и большинству легирующих элементов. Установлено, что применение данной атмосферы позволяет обеспечить хорошее формирование сварного шва, по химическому составу и механическим свойствам не уступающего шву, полученному ТЮ-сваркой. Однако при использовании чистого монооксида углерода возможно образование микропор в металле шва. Использование газовых смесей, содержащих до 50 % аргона и до 20 % углекислого газа, подавляет порообразование. Механические свойства сварных соединений, выполненных в газовых смесях на основе монооксида углерода, соответствуют требованиям нормативных документов.
Ключевые слова: низколегированные стали, дуговая сварка, защитная атмосфера, монооксид углерода, двойные защитные газы.
ВВЕДЕНИЕ
При монтаже трубопроводов для транспортировки горячей воды, пара, и других теплоносителей широко используются низколегированные и нелегированные стали. В частности, при строительстве нового завода авторами контролировался процесс сварки и качество сварных соединений, выполняемых их стали P235GH, выпускаемых по EN 10216-2. Согласно рекомендациям компании-производителя оборудования, при монтаже должна была применяться ТЮ-сварка с использованием аргона в качестве защитного газа. Данная технология предусматривает защиту корня шва путем поддува аргона внутрь трубы. Однако следует отметить высокую стоимость аргона как защитного газа, в связи с чем выполнялись работы по поиску более дешевых газов-заменителей, обеспечивающих высокие свойства сварного соединения. Имеются статьи, в которых предлагается использовать для сварки смеси аргона и углекислого газа [1]. Однако углекислый газ диссоциирует при высоких температурах с образованием кислорода и монооксида углерода (СО). При этом кислород вызывает окисление металла, а монооксид углерода нейтрален железу и к большинству легирующих элементов и обладает восстановительными, по отношению к оксиду металлов, свойствами [2]. Поэтому представляет интерес выполнения сварных соединений в восстановительной атмосфере, преимущественно состоящей из монооксида углерода.
Химический состав исследуемой стали приведен в таблице 1. Для аргонодуговой
сварки использовались прутки ER 70S-6. Полуавтоматическая сварка в восстановительной атмосфере монооксида углерода велась сварочной проволокой ESAB OKAutrod 12.64. В процессе сварки на концы труб устанавливались заглушки, и внутрь трубы подавался защитный газ, аналогичный используемому при сварке. Монооксид углерода поставлялся в баллонах в соответствии с ТУ 6-02-7101-86 чистотой не менее 98 %.
Известно вредное биологическое воздействие монооксида углерода, поэтому в настоящее время такие атмосферы не используются. Однако при достижении газом температуры вспышки протекает реакция 2СО + О2 ^2СО2 (1) с образованием биологически инертного углекислого газа (Патент РФ № 2570609. Способ сварки в среде защитных газов / Е. А. Иванайский, А. А. Иванайский). В процессе сварки монооксид углерода вспыхивал от тепла сварочной дуги. В корень шва подавалось от 10 до 20 литров СО в минуту. Одна из заглушек имела отводящий патрубок, который так же использовался для дожигания СО. Таким образом, содержание монооксида углерода не превышала санитарных норм. Выполненные сварные соединения подвергались испытанию на растяжение, определению химического состава и металлографическим исследованиям.
Направление протекания реакций оценивали с использованием энергии Гиббса AG, по формулам, приведенным в [3]:
ДН °(298) = £^ДН298Ш-£^ДН;298(/) ; (1)
AS P(298) = ^viS°(298) — £vjS°(298); ДС P(298) =ü ViCO (i) — ZvjC¡0(J) ; AH P(T) = AH P(298) — AC g(T — 298) ;
AS P(T) = fl„ ACpdT = AC p ln — ;
p 4 J J298 T P
(2)
(3)
(4)
_ (5)
АС р(Т) = АН£ (Т) - ГД5 р , 2 9 8 (6)
где ViЩ - стехиометрические коэффициенты продуктов реакции и исходных веществ соответственно;
ДН;298Ш - теплота образования продуктов реакции про 280 °К,
С°(298)- теплоемкость исходных веществ реакции при 280 °К;
5°(298) - энтропия образуемых продуктов реакции при280 °К;
57°(298) - энтропия исходных веществ реакции при 280 °К;
Т - температура протекания реакции;
АС р(Г) - энергия Гиббса при температуре Т.
Для теоретического исследования возможных химических реакций использовалась программа ChemReaX. Результаты расчетов приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Изменение энергии Гиббса в реакциях взаимодействия монооксида углерода с железом (1), кремнием (2), марганцем (3), серой (4) и фосфором (5)
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотрим возможность взаимодействия монооксида углерода с железом, легирующими элементами и вредными примесями:
Fe + CO ^FeO + C ; (7)
2Si + 3CO ^ SÍ2O3 + 3C ; (8)
Mn +CO ^MnO +C ; (9)
S + 2CO ^ SO2 + 2C ; (10)
2P + 3CO ^ P2O3 + 3C . (11)
Как видно из рисунка 1, реакции мононоок-сида углерода с железом, марганцем, серой термодинамически не выгодны. Вероятно, что при температурах до 1500 °К возможно незначительное выгорание кремния с некоторым увеличением содержания углерода. Также вероятна некоторая диссоциация СО в придуго-вых областях. 108
Как показано в таблице 1, при традиционной TIG-сварке в металле шва отмечается снижение содержания углерода, с одновременным незначительным увеличением кремния и вредных примесей. Это объясняется перемешиванием в сварном шве основного металла и сварочной проволоки, имеющей пониженное содержание углерода и повышенное кремния и марганца. Переходом из сварочной проволоки так же можно объяснить повышение содержания вредных примесей.
Установлено, что использование монооксида углерода в качестве защитной среды обеспечивает формирование качественного сварного соединения. Результаты испытаний на растяжение образцов, вырезанных из сварных соединений поперек оси шва, представлены в таблице 2. Все образцы разрушались по основному металлу. Механические свойства сварных соединений выполненных с использованием различных атмосфер сопоставимы и соответствуют требованиям нормативных документов.
Сварные швы, полученные в среде СО, имеют несколько большее, чем при TIG-сварке содержание углерода, кремния, марганца и меди. Повышенное содержание серы может быть объяснено наличием в баллонах остатков этилмеркаптана (C2H5SH).
В процессе сварки происходит нагрев металла до температур кипения металла в зоне катодных и анодных пятен. Средняя температура капель электродного металла в момент отрыва их от торца электрода достигает от 2000 до 2100 °С, а при перелете через дуговой промежуток может повышаться до 2900 °С. Средняя температура сварочной ванны также находится в пределах от 1750 до 1800 °С. При этом происходит активное образование паров металла. Считается [4, 5], что это приводит к потери легирующих элементов, в первую очередь марганца, кремния и других элементов. Марганец имеет наименьшую температуру кипения и теплоту испарения, поэтому будет наблюдаться наиболее значительное, в процентном отношении, снижение его концентрации. По данным ТУ 6-02-7-101-86 (Окись углерода. Угарный газ баллонный. Основные физические и химические свойства. Чистота. Опасность. URL: https://tehtab.ru/Guide/GuideMedias/ CarbonMonoxide/COtoTU602710186) потери марганца в капле определяются по формуле: ДС^ = 62,3 + Mnbm-10 -K2Vg , (12)
где K = 1,55 - коэффициент; V - ско-
2 g
рость потока защитного газа, м/с; Mnbm - содержание марганца в сварочной проволоке.
Таблица 1 - Химический состав металла
Элементы Massfractionofelements, %
C Si Mn S P
В соответствии с EN 10216-2, не более чем 0,20 0,40 1,40 0,30 0,01 0,025
По результатам химического анализа основного металла 0,145 0,241 0,481 0,034 0,0045 0,0083
Химический состав наплавленного металла после TIG-сварки 0,104 0,568 1,187 0,033 0,0064 0,0053
Химический состав наплавленного металла при сварке в защитной атмосфере 0,147 0,738 1,328 0,074 0,0119 0,0071
Таблица 2 - Механические свойства сварных соединений, выполненных с использованием различных атмосфер
Защитные газы Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Предел текучести условный, МПа Предел текучести физический, МПа Временное сопротивление, МПа
Сварка в среде СО 24,8 56,5 365,3 358,7 458,6
Сварка в среде СО + СО2 20,7 65,5 321,7 - 417,5
Сварка в среде Аг 21,0 62,7 320,3 323,1 445,2
Сварка в среде СО + Аг 19 61,2 317,3 333,7 443,1
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о значительном подавлении процессов испарения легирующих элементов из капель жидкого металла в дуговом промежутке. Содержание легирующих элементов в металле шва превышает расчетные значения, полученные по имеющимся математическим моделям.
Выполнялся металлографический анализ полученных образцов. Установлено что сварное соединение имеет типичную для низколегированных сталей феррито-перлитную структуру, с видманштетом в зоне перегрева и дендритную структуру металла шва. На рисунке 2, а приведена микроструктура зоны сплавления, а на рисунке 2, б - микроструктура наплавленного металла.
а)х100 б)х100
Рисунок 2 - Микроструктура сварного соединения стали P235GH: а) - зона сплавления; б) сварной шов ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 3 2019
Было отмечено появление микропор в металле шва. Это свидетельствует об активном протекании металлургических реакций в наплавленном металле. Хотя приведенные на рисунке 1 данные говорят о том, что монооксид углерода не должен вступать в химические реакции в исследуемом диапазоне температур. Проводилось исследование образцов в растровом сканирующем микроскопе. Полученная структура литого металла приведена на рисунке 3.
еаа.А.-л*-» ^ VI. ^
Рисунок 3 - Микроструктура сварного соединения стали P235GH выполненного в среде монооксида углерода
Как видно из рисунка 3, в металле шва возникает распределенная микропористость. При этом в стали присутствуют мелкие неметаллические включения. Было высказано предположение о наличии вюстита (МеО) и гематита (Ме2О3) в сварном шве. По данным работы [6] в основном металле может содержаться до 0,031 % процентов окислов. Вероятно, происходят реакции восстановления оксидов металлов, оставшихся или образовавшихся в сварочной ванне. Проведенные ис-
следования показали, что в атмосфере монооксида углерода количество окисных включений в 1,5...2 раза меньше, чем при традиционной сварке в углекислом газе.
Были выполнены сварные соединения в защитной атмосфере содержащей 85.90 % СО и до 15 % СН4. Установлено, что при введении метана в зону сварки количество пор резко увеличивается. По-видимому, метан будет являться источником диффузионного водорода, ускоряющего процесс порообразования. Следовательно, избыточно восстановительная среда будет негативно влиять на качество сварного соединения.
Одним из способов подавления химической реакции является уменьшение концентрации реагирующих элементов. Поэтому выполнялась сварка в газовой смеси Аг + СО. При содержании аргона 50 % и более микропоры в металле шва исчезают. Поддув в корень шва выполняли 98 % монооксидом углерода. Механические свойства сварного соединения приведены в таблице 2.
Как указано в [7], предел воспламенения СО с воздухом составляет от 12,5 до 74,2 %. Поэтому дополнительное введение газов не мешает выгоранию монооксида углерода при соприкосновении его с кислородом воздуха.
При традиционной сварке в среде инертных или активных газов защита осуществляется ламеллярными потоками. В случае использования восстановительных атмосфер зону сварки защищает факел пламени. Возможно, активные реакции окисления в факеле приводят к формированию турбулентных потоков. При этом будет осуществляться «подсос» атмосферного азота в металл шва. В работе [8,9] приведены данные о том, что повышение концентрации кислорода в расплаве способно значительно уменьшить склонность металла сварного шва к образованию азотной пористости низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Кислород непосредственно воздействует на механизм поступления атомов (молекул) азота в газовую полость развивающегося зародыша и растущего пузырька, блокируя процесс порообразования. Заметное повышение стойкости против образования пор наблюдается при содержании кислорода в сварочной ванне порядка 0,07.0,11 %. В этом случае атомы кислорода занимают значительную часть поверхности раздела фаз, что уменьшает скорость адсорбции атомов азота и способствует получению плотных швов.
Выполнялась сварка исследуемых сталей в смеси СО + СО2. Установлено, что введение 20 % углекислого газа приводит к исчез-
новению микропор в сварном шве. Механические свойства сварного соединения также приведено в таблмце 2. Микроструктура сварных соединений имеет типичную феррито-перлит-ную структуру.
Проведенные эксперименты показали возможность замены дорогостоящей ручной аргонодуговой сварки (TIG-процесс) на механизированную сварку в восстановительной среде защитных газов на основе монооксида углерода и аргона или углекислого газа.
ВЫВОДЫ
1. Восстановительные атмосферы на основе монооксида углерода могут использоваться в качестве защитных газов при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей. Данные атмосферы можно использовать для защиты корня шва при сварке труб.
2. Микроструктура и механические свойства таких сварных соединений аналогичны структуре и свойствам соединений полученных с использованием TIG-сварки.
3. С целью предотвращения образования микропор возможно использование бинарных смесей СО + СО2 и СО + Ar. Механические свойства получаемых сварных соединений соответствуют требованиям нормативных документов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Boiko I. Study of shielding gases form agwelding / I. Boiko, A. Didzis // Materials Physicsand Mechanics, 2013. - № 16. Р. 126-134.
2. Reduction of iron oxide in carbon monoxide atmosphere - Reaction controlled kinetics. Fuel Processing Technology / Kanchan Mondal [et al.] // Fuel Process Technol, 2004. - № 86. - Р. 33-47.
3. Ишков А. В. Термодинамическое обоснование химических реакций в системе «B4C - боратный флюс - Fe» при ТВЧ-нагреве / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров [и др.] // Известия Алтайского государственного университета. - 2014. -№ 3 (83). - С. 199-203.
4. Chinakhov, D. A. Dependence of Silicon and Manganese Content in the Weld Metal on the Welding Current and Method of Gas Shielding / D. A Chinakhov // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - vol. 756. - Р. 92-96.
5. Новожилов Н. М. Основы металлургии дуговой сварки в газах / Н. М. Новожилов. - М., Машиностроение, 1979. - 231 с.
6. Chinakhov D.A. Dependence of Manganese Content in the Weld Metal on the Velocity of Active Shielding Gas Flow / D. A. Chinakhov [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2017. - 253. - 012034.
7. Hummitzsch, W. Atmosphäre des lichtbogens beim CO2 - Schweissen mit Stahldrahtelektroden / W Hummitzsch // Schweissen und Schneiden. - 1974. -№ 8. - Р. 291-295.
8. Писарев, В. А. Влияние кислорода на процесс образования вызываемых азотом пор при дуговой сварке плавящимся электродом / В. А. Писарев, С. Н. Жизняков // Автоматическая сварка. - 2016. - № 7. - С. 52-55.
9. Иванайский Е.А., Ишков А.В., Иванайский А.А., Малышев И.В. Термодинамическое обоснование химических реакций протекающих при нагреве деталей токами высокой частоты в защитных атмосферах // Ползуновский вестник. -2018. -№ 1. -С. 143-147. СЫ: 10.25712/А8Т11.2072-8921.2018.01.027
Иванайский Евгений Анатольевич,
кандидат технических наук, доцент, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Барнаул, Россия.
Ишков Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент, Алтайский государственный аграрный университет, Барнаул, Россия.
Иванайский Виктор Васильевич, доктор технических наук, доцент, Алтайский государственный аграрный университет, Барнаул, Россия.
Иванайский Александр Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Барнаул, Россия.
