CC BY
85
1.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФЛЮСОВ-ОКСИДОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СВАРНЫХ ШВОВ
НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
Саидов Рустам Маннапович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник. Институт материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан, e-mail: saidov_r@yahoo.com
Атабаев Илхом Гафурович, профессор, директор. Институт материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан, e-mail: atvi@uzsci.net
Ахадов Жобир Замирович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник. Институт материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан; Международный институт Солнечной энергии, e-mail: ahadovj@mail.ru
Комилова Дурдона Рустамовна, младший научный сотрудник. Институт материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан, e-mail: komilova78@mail.ru
Мухитдинов Зайниддин Салохитдинович, научный сотрудник. Институт материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан, e-mail: zayniddin79@gmail.com
Марио Куш, Др.-Инж., Департамент производства и сварочной техники, Хемницкий технологический университет, Германия, e-mail: mario.kusch@mb.tu-chemnitz.de
Петер Майр, Профессор, Др., Департамент производства и сварочной техники, Хемницкий технологический университет, Германия, e-mail: peter.mayr@mb.tu-chemnitz.de
Кевин Хоефер, Инж., Департамент производства и сварочной техники, Хемницкий технологический университет, Германия, e-mail: kevin.hoefer@mb.tu-chemnitz.de
Аннотация: В настоящей статье приведены результаты исследований по изучению влияния физико-химических свойств оксидных флюсов на формирование сварных швов нержавеющей стали CrNi18-10 при аргонодуговой сварке. Полученные результаты исследований позволили определить влияние физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на особенности формирования сварных швов нержавеющей стали CrNi18-10 и влияние этих свойств на морфологию сварных швов и механизм действия флюсов, а также позволили выявить рекомендации к указанным свойствам флюсов.
Ключевые слова: аргонодуговая сварка, нержавеющие стали, оксиды, физико-химические свойства оксидов, формирование сварных швов.
1.2. STUDY OF INFLUENCE OF OXIDE'S PHYSICO-CHEMICAL PROPERTUIS OF TO THE FORMATION WELDING SEAM DURING A-TIG WELDING OF STAINLESS STEELS
Saidov Rustam Мannapovich, PhD, Senior research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan, e-mail: saidov_r@yahoo.com
Atabaev Ilkhom Gafurovich, Professor, Director of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan, e-mail: atvi@uzsci.net
Akhadov Jobir Zamirovich, PhD, Senior research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan; International Solar Energy Institute, e-mail: ahadovj@mail.ru
Komilova Durdona Rustamovna, Senior research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan, e-mail: komilova78@mail.ru
Mukhitdinov Zayniddin Salokhitdinovich, scientist of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan, e-mail: zayniddin79@gmail.com
Mario Kusch, Dr.-Ing., Department of Manufacturing and Welding Engineering, Chemnitz University of Technology, Germany, e-mail: mario.kusch@mb.tu-chemnitz.de
Peter Mayr, Professor, Dr., Department of Manufacturing and Welding Engineering, Chemnitz University of Technology, Germany, e-mail: peter.mayr@mb.tu-chemnitz.de
Kevin Hoefer, Dipl.-Ing., Department of Manufacturing and Welding Engineering, Chemnitz University of Technology, Germany, e-mail: kevin.hoefer@mb.tu-chemnitz.de
Abstract: At this article presented the researches to investigate the influence of physical-chemical properties of oxide fluxes to the formation of welding seam of stainless steel CrNi18-10 by TIG welding. The results of research work allowed determining the influence of physical-chemical properties of the individual oxide fluxes to the properties of welding seam formation of the stainless steel CrNi18-10 and influence of this properties to the morphology and mechanism action of fluxes, as well as it helped to identify recommendations to the indicated flux properties.
Index terms: A-TIG welding, Stainless Steel, Oxides, Physical and Chemical properties Oxides, Morphology of Weld Joints.
ВВЕДЕНИЕ
Известно большое количество работ, посвященных аргоно-дуговой сварке нержавеющих сталей с использованием активирующих флюсов. Во всех работах отмечается, что активирующие флюсы оказывают влияние на форму и энергетические характеристики дуги. Это способствует изменению форм и размеров сварных швов, т.е. увеличению глубины проплава и сужению его ширины. Из этих исследований большое количество посвящено механизму действия активирующих флюсов на проплавляющую способность сварочной дуги [1-4 и др.] и особенности формирования сварных швов. Все эти механизмы можно разбить на несколько следующих групп:
1. Механизмы, связанные с физическими процессами, протекающими в сварочной дуге [1-3,5 и др.];
2. Механизмы, связанные с химическими процессами, протекающими в сварочной ванне [6,7 и др.];
3. Механизмы, связанные с экзотермическими эффектами флюсов, повышающими температуру сварочной дуги [8];
4. Механизмы, связанные со свойствами шлака, образующимися на поверхности сварочной ванны [1, 9 и др.];
5. Механизмы, связанные с одновременным и взаимосвязанным влиянием флюсов на дугу и сварочную ванну [4, 9-14].
Физические процессы в дуге, способствующие его сжатию при введении флюсов некоторые исследователи [1, 2, 5, 10 и 15] связывают с захватом электронов молекулами галогенов на границе столба дуги с образованием отрицательных ионов [16, 17]. Также, существует гипотеза, что увеличение глубины проплавления металла может быть из-за увеличения реактивного давления паров металла в месте расположения анодного пятна [1, 10, 18-20, 21, 22]. По другому мнению, флюсы усиливают скорость плазмы и давление дуги, что является основной причиной увеличения глубины проплавления металла [23, 24-26, 27].
Химические процессы в сварочной ванне при ТИГ сварке с применением флюсов, способствующие увеличению проплав-ления авторы исследований [6, 7] объясняют влиянием поверхностно-активных элементов (Кислород, Фтор, Сера, и др.), попадающих в сварочную ванну из флюса, на градиент поверхностного натяжения металла сварочной ванны, т.е. поверхностное натяжение в центре сварочной ванны становится выше, чем на периферийных участках сварочной ванны. Этот эффект, называемый эффектом Марангони, приводит к образованию конвективного потока в сварочной ванне, при котором поток жидкого металла сварочной ванны меняет направление движения от периферии к центру и приводит к углублению сварочной ванны по толщине свариваемого металла.
Влияние шлака на сужение дуги авторами работ [1, 9] объясняется из-за низкой электропроводимости шлака, а по другому мнению [3], шлак ограничивает размеры анодного пятна дуги путем механического воздействия на дугу. Однако, какие-либо доказательства данных явлений не установлены [3, 10, 18, 19].
Также существует гипотеза одновременного и взаимосвязанного влияния флюсов на дугу и сварочную ванну [9, 10, 2831]. Согласно этой гипотезе, диаметр дуги уменьшается за счет захвата электронов молекулами галогенов, а анодное пятно дуги уменьшается за счет разницы в электропроводимостях расплава шлака и свариваемого металла. Уменьшение диаметра дуги и анодного пятна дуги увеличивает плотность тока, при этом усиливается конвекция в сварочной ванне, в результате чего возрастает глубина проплавления металла и формируется узкий сварной шов [32-34].
Целью настоящей работы являлось изучение влияния физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на особенности формирования сварных швов нержавеющей стали Сг№18-10 и влияние этих свойств на механизм действия флюсов и морфологию швов свариваемого металла. На основе проведенных исследований и полученных результатов выявление требований к указанным свойствам флюсов-оксидов для наиболее эффективного их воздействия на формирование сварных швов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД
В качестве нержавеющей стали для проведения исследований использовалась сталь марки Сг№18-10 (см. табл.1) в виде пластин размером 60х150 мм и толщиной 4 и 5мм.
Таблица 1
Химический состав стали CrNi18-10 (1.4301) [DIN EN 10088-3]
C Si Mn P S N Cr Ni
<0,07 <1,0 <2,0 <0,045 <0,015 <0,11 17,0-19,5 8,0-10,5
Режимы ТИГ сварки: Сварка выполнялась в нижнем положении при длине дуги 2 мм, диаметр электрода: 3,2 мм, угол заточки электрода: 30°, на сварочных токах: 100A (для пластин, толщиной 4 мм) и 200 A (для пластин, толщиной 5 мм), скорость сварки: 20 см/мин (для пластин, толщиной 4 мм) и 30 см/мин (для пластин, толщиной 5 мм), защитный газ: argon 10 л/мин, Поддув со стороны проплава: argon 5 л/мин. Погонная энергия сварки для стали толщиной 4 мм - 250 Дж/мм (J/mm), а для 5 мм - 400 Дж/мм (J/mm).
В качестве флюсов использовались такие индивидуальные оксиды как MgO, SiO2, TiO2, Cr2O3, Fe2O3, WO3 и Co3O4. Флюсы использовались в виде паст, которые получали при смешивании порошков оксидов (с размером частиц не более 100 мкм) со спиртом в весовом соотношении 1:1, которое обеспечивало получение слоя флюса на поверхности пластин толщиной 0,24 мм. Слой пасты наносился с помощью кисточки на половину пластины шириной до 10 мм.
В качестве физико-химических свойств оксидов изучались нижеследующие свойства:
- Температура плавления (Tmo), oC;
- Температура кипения (Tbo), oC;
- Разность температур кипения и плавления (Tbo- Tmo), o;
- Поверхностное натяжение (а), мДж/м2;
- Энергия ионизации или потенциал ионизации (Ui), эВ.
представляет собой квадрат коэффициента корреляции г (отсюда термин R в квадрате). Коэффициент детерминированности находится в диапозоне 0<R2<1, и обозначает силу линейной корреляции между свойствами оксидов и морфологией сварных швов (отношение глубины проплавления к ширине шва - P/W).
Коэффициент детерминации R2 представляет процент данных, которые ближе всего к линии наилучшего соответствия. Например, коэффициенты определений, величина которых составляет от 0,81 до 1,0 указывают на переменные, которые можно считать очень сильно коррелируют. Коэффициенты определений, величина которых находятся между 0,49 и 0,81 указывают на переменные, которые можно считать сильно коррелируют. Коэффициенты корреляции, величина которых составляет от 0,25 до 0,49 указывают на переменные, которые можно считать умеренно коррелируемыми. Коэффициенты корреляции величина которых составляет от 0,09 до 0,25 указывают на переменные, которые имеют низкую корреляцию. Коэффициенты корреляции, величина которых меньше 0,09 не имеют какой-либо (линейной) корреляции [39]. При построении графиков зависимостей морфологии сварных швов от различных свойств оксидов использовались полиноминальные аппроксимирующие кривые.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты влияния ТИГ сварки с использованием флюсов-оксидов на морфологию сварных швов (глубина проплавления (P), ширина (W), и их отношение (P/W)) стали CrNi18-10 (толщиной 4 и 5 мм) представлены в таблице 2 и рис. 1 и 2.
Таблица 2
Параметры сварных швов стали марки ^N18-10, выполненные аргонодуговой сваркой с использованием индивидуальных флюсов-оксидов
Флюс Сталь CrNi 18-10, толщиной 4 мм Сталь CrNi 18-10, толщиной 5 мм
!== 100A, Усв=20 см/мин U = 200A, Усв =30 см/мин
Ширина шва W, мм Глубина проплавления P, мм Отношение P/W Ширина шва W, мм Глубина проплав-ления P, мм Отношение P/W
Without 5,22 1,27 0,24 8,17 2,02 0,25
WO3 3,3 1,96 0,59 7,38 3,98 0,54
MgO 3,3 2,14 0,65 6,22 3,10 0,50
СГ2О3 3,71 2,71 0,73 7,62 5,00 0,66
Fe2Os 2,9 2,69 0,93 5,82 4,26 0,73
Co3O4 3,0 2,86 0,95 6,90 4,33 0,63
TiO2 3,06 3,09 1,01 6,60 5,00 0,76
SiO2 2,40 2,64 1,10 4,68 5,00 1,07
Примечание: 1св - сила сварочного тока, Усв - скорость сварки.
Также проводились исследования влияния содержание кислорода в оксиде (O2, % масс.) на особенности формирования сварных швов нержавеющей стали.
Данные о физико-химических свойствах оксидов, использованных при изучении их влияния на формирование сварных швов нержавеющей стали CrNi18-10 заимствованы из известной базы данных [35] и информации из справочника [36].
Касательно оксида кобальта (М,Ш) Co3O4 использовались данные свойств для оксида кобальта (II) CoO в связи с тем, что при температуре выше 900оС протекает реакция 2 Co3O4= 6 CoO + O2 [37, 38] .
Потенциал ионизации оксидов (Ui) определялся расчетным методом по формуле:
Uioxide = (UiM/CMA) + (Uio/COA), где: UiM - потенциал ионизации металла оксида, эВ, CMA - содержание металла в оксиде, % атом., UiO - потенциал ионизации кислорода, эВ, COA - содержание кислорода в оксиде, % атом.
Инструментальный микроскоп был использован для проверки морфологии сварного шва, который характеризуется глубиной проплавления (P), шириной шва (W) и отношением глубины проплавления к ширине шва (P/W).
Степень влияния физико-химических свойств оксидов на сварных швах морфологии нержавеющей стали оценивали с помощью коэффициента детерминированности R2. Формула коэффициент корреляции может показать, насколько сильно существует линейная связь между двумя переменными. R
Сг203 ТЮ2 \Л/03 Со304
Рис. 1. Макрошлифы проплавов на стали СгМ18-10 толщиной 4 мм, полученных при аргонодуговой сварке с использованием индивидуальных флюсов-оксидов при величине сварочного тока 100А.
Сг20з ТЮ2 \Ш3 С03О4
Рис. 2. Макрошлифы проплавов на стали СгМ18-10 толщиной 5 мм, полученных при аргонодуговой сварке с использованием индивидуальных флюсов-оксидов при величине сварочного тока 200А.
Следует отметить, что изучение формы проплавов, полученных при ТИГ сварке с индивидуальными флюсами-оксидами, показала на наличие у краёв сварных швов зоны проплава (рис. 4), которая отсутствует при традиционной ТИГ сварке. По-видимому, эта зона образуется вследствие образования при сварке шлака флюса на периферийных участках сварочной ванны [13, 14], который обладая более низкой электропроводностью и более высокой тугоплавкостью, чем расплавленный метал [40, 41] способствует сжатию столба дуги, тем самым повышая проплавляющую способность сварочной дуги. Также, возможно, что шлаковый слой флюса поглощает кинетическую энергию электронов на периферийных участках сварочной дуги и снижает температуру поверхности сварочной ванны в этих зонах.
Это приводит к образованию на поверхности сварочной ванны двух зон:
- первая зона (см. рис.3) образуется в центральной части сварочной ванны (анодное пятно), имеет высокую плотность энергии и глубокое проплавление цилиндрической формы. Над этой зоной находится столб дуги, насыщенный газообразными продуктами флюса и свариваемого металла;
- вторая зона (см. рис.3) расположена на периферийных участках сварочной ванны вокруг анодного пятна. Она отличается гораздо меньшей плотностью энергии, чем в первой зоне. Проплав сварочной ванны в этой зоне имеет небольшую глубину, имеющую максимальную глубину на границе с первой зоной. Вследствие этого, образующийся сварной шов имеет форму, представленную на рис. 4.
Рис.3. Сварной шов с лицевой стороны, полученный при сварке А-ТИГ с ТЮ2 ^ - ширина шва, Ws - ширина шлака на краю сварного шва)
В результате проведенных исследований выявлено, что сварные швы с двумя зонами, образуются при А-ТИГ сварке с флюсами-оксидами, имеющими температуру плавления (Тто) ниже температуры кипения свариваемого металла (ТЬт), а температуру кипения (ТЬо) выше температуры плавления свариваемого металла (Ттт). Например, оксид мания (MgO) имеет температуру плавления (Тто=2800оС) выше температуры кипения свариваемой стали Сг№18-10 (ТЬт=2750оС) и сварной шов, полученный при А-ТИГ сварке с этим оксидом не имеет вторую зону (см. рис.1 и 2).
Проведенные работы по изучению зависимости между шириной зоны проплавления на периферийных участках швов ^е), полученных А-ТИГ сваркой с флюсами-оксидами и глубиной проплавления (Р) (см. рис. 5) показали на высокую корреляцию между этими показателями для сварки на токе 100А Ш2=0,703) и при токе 200А ^2=0,491).
1 A 1G0A ■ 2(10 А
........... 1 ■ R1 = 0,491
11 .^ = 0,703
....... , I.A........ >......
О 0.2 0,4 С,Б О.е 1 1,2
ширина проплава на край сварного шва |У1Ге)г ми
Рис.5. Зависимость между шириной зоны проплавления ^е) стали СгМ18-10, полученных А-ТИГ сваркой с флюсами-оксидами
и глубиной проплавления (Р) В соответствии с этой зависимостью, глубина проплавления шва при А-ТИГ сварке с индивидуальными флюсами-оксидами зависит от ширины зоны на периферийных участках шва ^е), которая связана с шириной шлака флюса ^¡¡) над этой зоной. Этот эффект подтверждает гипотезу о том, что механизм действия активирующих флюсов на проплавляющую способность сварочной дуги может быть связан со свойствами шлака, образующимися на поверхности сварочной ванны [1, 9].
Поэтому, в настоящей работе проведены исследования влияния физико-химических свойств на формирование сварных швов, полученных при А-ТИГ сварке с индивидуальными флюсами-оксидами и их взаимосвязь с температурными характеристиками нержавеющей стали Сг№18-10.
В таблице 2 представлены данные о температурных характеристиках оксидов и нержавеющей стали Сг№18-10.
Таблица 2.
CrNi 18-10 SiO2 TiO2 CoO (Co3O4*) Fe2O3 Cr2O3 WO3 MgO
Tm, oC 1450 1610 1892 1935 (900) 1565 2335 1473 2800
Tb, oC 2750 2950 2900 2800 (900) 1987 2954 1670 3600
"Tb- Tm, 1300 1340 1008 865 (0) 422 619 197 800
* - Co3O4 разлагается при температуре 900oC на CoO и O2
На рис. 6 представлен график зависимости морфологии сварных швов при А-ТИГ сварке с использованием различных оксидов от их температуры плавления. Проведенные исследования влияния температуры плавления (Tm) на морфологию сварных швов (P/W) стали CrNi18-10 выявили умеренную корреляцию (moderately correlated) между этими показателями при сварочном токе 100А (R2=0,403) и слабую корреляцию (low correlation) при сварочном токе 200А (R2=0,274).
При этом характер кривых зависимостей в обоих случаях идентичны и показывают, что наиболее эффективными оксидами, используемыми в качестве флюсов при А-ТИГ сварке стали CrNi18-10, являются оксиды с температурой плавления (Tmo), находящихся в диапазоне температур плавления (Tmm) и кипения (Tbm) свариваемой стали, т.е. соблюдаться следующее условие:
Tmm < Tmo< Tbm
В соответствии с полученными результатами в рамках изученных оксидов наиболее эффективное воздействие на морфологию сварных швов оказывают оксиды с температурой плавления несколько выше температуры плавления свариваемого металла (1450oC), но с приближением его значения к температуре кипения стали CrNi18-10 эффективность действия оксидов понижается.
i А 100 А ■ 200 А -
S А ... ..........................
£ и \ .........Ш........... ■ .....* "1 , A R* = 0,403
| ■ " I I R* - 0,274
а I
а j
и» 1 по згоо экю гзоо
температуря ппядлення ;■>; (T-0J, С
Рис. 6. Зависимость отношения «P/W» от температуры плавления оксида «Tm» Напротив, анализ влияния температуры кипения (Tbo) оксидов на морфологию швов выявил высокую корреляцию (highly correlated) между этими показателями при сварочном токе 100 А (R2=0,620) и умеренную корреляцию (moderately correlated) при 200 А (R2=0,388). В обоих случаях результаты показывают (см. рис. 7), что величина температуры кипения оксида, используемого при А-ТИГ сварке, влияет на морфологию шва и она наиболее эффективна в области температуры кипения стали CrNi18-10 (2750oC).
I ол
I
i 0.4 |
I*
$ ▲ 100 А ■ 200 А
J А -
■ i ■i > ■ R1 = 0,620
j RJ = 0,168
£
|
1SOO 7 ООО »00 500C S500 Ч1ИО
Температура кипения оксидов |°С
Рис. 7. Зависимость отношения «P/W» от температуры кипения оксида «Tbo» Следует отметить, что эти результаты свидетельствуют о тесной связи между температурами плавления и кипения свариваемого металла и оксидов, применяемых при А-ТИГ сварке. Индивидуальные флюсы-оксиды тем эффективнее воздействуют на морфологию швов, чем выше температурный интервал между кипением и плавлением окислов (Tbo-Tmo), т.е. когда флюс находится в жидкой фазе в интервале температур плавления (Tmm) и кипения (Tbm) свариваемого металла. Об этом свидетельствуют результаты, представленные на рис. 8. Связь между величиной разности температур плавления и кипения оксидов и морфологией швов показывает высокую корреляцию при ТИГ сварке как при токе 100 А (R2 = 0,548), так и при токе 200 А (R2 = 0,729).
При этом, в соответствии с полученными результатами, индивидуальные флюсы-оксиды наиболее эффективно воздействуют на морфологию сварных швов стали CrNi18-10 при А-ТИГ сварке при соблюдении нижеследующего условия: (Tbo - Tmo ) £ 800°
£
1 1
s
Э оя
1
0.6
i
Ъ
г
£
0,2
а
А 1Ü0 А ■ 200 А Я'± 0,54В А " ÄJ = 0,729
А
В"-'""' А ■ ..J Р" fiii 1
И 1 1 1
Е ё
0 400 fiOO 1200 1GOO
(T„„-T„J,*
Рис. 8. Зависимость отношения «P/W» от температурной разницы «Tbo-Tmo» На рис. 9 приведен график зависимости морфологии швов стали CrNi18-10 (P/W) от температуры плавления (Tmo) и кипения (Tbo) флюсов-оксидов при различных сварочных токах (Iw). Этот график наглядно представляет температурные области плавления (Tmm) и кипения (Tbm) оксидов в интервале температур расплавленного металла, а также позволяет выявить температурный интервал существования жидкого флюса в диапазоне температур плавления и кипения свариваемого металла (Timf ).
Рис. 9. Зависимость морфологии швов (P/W) от температуры плавления (Tmo) и кипения (Tbo) оксидов и при различных величинах сварочного тока (100А и 200А)
Анализ результатов, представленных на рис.9 показывает, что эффективность влияния оксидов на морфологию сварных швов зависит от величины сварочного тока ТИГ сварки, Эффективность их действия на отношение «P/W» с увеличением величины сварочного тока снижается. При этом, с повышением величины сварочного тока эффективность действия оксидов Cr2O3, SiO2 и WO3 снижается незначительно, а у оксидов MgO, TiO2, Fe2O3 и Co3O4 (CoO) наблюдается значительное снижение эффективности их действия на морфологию швов стали CrNi18-10.
Температурный интервал «Tim.f », только для оксидов с температурой кипения (Tbo) выше температуры плавления свариваемого металла (Tmm): (Tbo > Tmm), определялся по нижеследующим формулам: при условии, если Tmo> Tmm и Tbo> Tbm
Ti.m.f "" Tbm — Tmo
при условии, если Tmo> Tmm и Tbo< Tbm
Ti.m.f _ Tbo — Tmo
при условии, если Tmo< Tmm и Tbo> Tbm
Ti.m.f "" Tbm — Tmm
при условии, если Tmo< Tmm и Tbo< Tbm
Ti.m.f _ Tbo — Tmm
Результаты расчетов температурный интервала «Timf» приведен в таблице 3.
Таблица 3
Значения температурного интервала «Ti.m.f» оксидов
SiO2 TiO2 CoO Fe2O3 Cr2O3 WO3 MgO
T o 1 i.m.f, 1140 858 815 422 415 197 -50
Окись магния (MgO) имеет отрицательное значение температурного интервала (Tim.f) вследствие того, что его температура плавления (Tmo) выше температуры кипения (Tbm) нержавеющей стали CrNi18-10. Это способствует менее эффективному влиянию на морфологию швов стали CrNi18-10 при применении окиси магния в качестве флюса.
Изучение влияния температурного интервала (Tim.f) на морфологию сварных швов (P/W) позволили выявить очень высокую корреляцию между этими показателями (см. рис.10), при этом при малой погонной энергии сварки (100A) эта корреляция является более высокой (R2 = 0,833) чем при большей погонной энергии сварки (200A - R2 = 0,766).
Рис. 10. Зависимость отношения «P/W» от температурного интервала «Timf»
Также проведены исследования влияния содержания кислорода в оксидах на морфологию сварных швов стали Сг№18-10 (рис.11), которые подтвердили результаты некоторых исследователей [4] о том, что с увеличением содержания кислорода в оксидах повышает эффективность их действия на проплавляющую способность сварочной дуги.
Рис. 11. Зависимость отношения «P/W» от содержания кислорода в оксиде «O2»
Согласно результатам представленным на рис. 11 наблюдается умеренная корреляционная связь между содержанием кислорода в оксиде «О2» и отношением величины про-плавления на ширину шва (P/W) при токе 100А (R2 = 0,402) и высокая корреляция при токе 200А (R2 = 0,731). По-видимому, повышение эффективности действия флюсов-оксидов с увеличением содержания кислорода в оксиде можно объяснить тем, что во время сварки происходит большее насыщение сварочной дуги и сварочной ванны атомами кислорода и это способствует совместному и одновременному действию нескольких механизмов, связанных с физическими процессами, протекающими в сварочной дуге [1-3, 5], химическими процессами, протекающими в сварочной ванне [6,7] и процессами, связанными со свойствами шлака, образующегося на поверхности сварочной ванны [1, 9].
Кроме этого, выявлено, что значение температурного интервала плавления и кипения окислов (Tbo-Tmo) сильно связано с содержанием кислорода в оксиде (O2). На рис. 12 показана зависимость этого температурного интервала от содержания кислорода в оксиде, которая имеет очень высокую корреляцию (R2 = 0,943).
Тесная корреляция между температурным интервалом оксида «ТЬо-Тто» и содержанием кислорода в оксиде «Ю2» свидетельствует о зависимости существования флюса-оксида в жидком состоянии от количества в нем кислорода и чем выше его содержание, тем выше значение температурного интервала и тем эффективней действие флюса-оксида на морфологию сварных швов нержавеющей стали (см. рис.9 и 12).
____А
s' У
/
10 25 40 55 Г0
СоДврЖОНИВ лПСЛОрСДЗ В ОКСИДВ \ О 2 ), % МЭГ г
Рис. 12. Зависимость температурным интервалом оксида «Tbo-Tmo» от содержания кислорода в оксиде «O2» Из этого следует, что морфология сварных швов на стали CrNi18-10 при А-ТИГ сварке с оксидными флюсами главным образом зависит от использования в качестве флюсов, оксидов с содержанием кислорода выше 30%, которые позволяют повысить эффективность действия флюсов на формирование сварных швов.
Как показывают результаты исследований (рис.13) важную роль в формировании сварных швов исследуемой стали играет величина поверхностного натяжения расплавов оксидов. Кривые зависимости отношения глубины проплавления на ширину шва (P/W) от величины поверхностного натяжения (о) пяти оксидов (SiO2, WO3, Fe2O3, TiO2 и MgO, информация о поверхностном натяжении для расплавов оксидов Cr2O3 и CoO не обнаружена) показали на очень высокую корреляцию между указанными параметрами как для швов, полученных при сварке на токе 100А (R2=0,949), так и на токе 200А (R2=0,732). Наилучшие результаты получены при А-ТИГ сварке с использованием оксидов, имеющих величину поверхностного натяжения от 200 mJ/m2 до 400 mJ/m2 (см. рис. 13). Этот эффект, по-видимому, можно объяснить тем, что оксиды, имеющие величину поверхностного натяжения больше 400 mJ/m2 плохо смачивают металл сварочной ванны, что способствует уменьшению ширины шлака (Ws) и ширины зоны проплавления (We) на краях сварочной ванны и недостаточно эффективному участию в металлургической обработке расплава металла сварочной ванны, а оксиды, имеющие поверхностное натяжение ниже 200 mJ/m2, отличаются низкими значениями температуры плавления и кипения, во время сварки разлагаются и насыщают сварочную дугу газообразными продуктами флюса-оксида (анионы кислорода и катионы металла). Это способствует некоторому снижению эффективности действия флюсов-оксидов на морфологию сварных швов и протеканию механизмов действия флюсов, связанных с физическими процессами, протекающими в сварочной дуге [1-3,5].
▲ 100 А ■ 200 А ] и-.....
"А
■ "Ч Л R' - 0.949
р- = 0,732
ZOO 300
Поверхностно»
600 I, мДж/м2
А 100 А *
f'
Rz *........ ■
RJ = 0,312 ■
Потенциал ионизации оксидов (Ui), эв
Рис.14. Зависимость отношения «P/W» от потенциала ионизации оксидов «Ui»
На рис. 15 представлен график степени корреляции (коэффициент детерминированности R2) связи между морфологией сварных швов (P/W) нержавеющей стали CrNi18-10 и изученными физико-химическими свойствами оксидов, использованных при А-ТИГ сварке. В соответствии с полученными данными, наибольшее влияние на морфологию сварных швов оказывают величина поверхностного натяжения «о» расплавов оксидов, температурные интервалы «Timf» и «Tbo-Tmo» как при величине сварочного тока 100А, так и при 200А. Эти свойства оксидов дают наибольшую корреляционную связь с морфологией сварных швов (P/W). Также высокая корреляционная связь свойств оксидов с морфологией сварных швов наблюдается при токе 100А для температуры кипения «Tbo» и энергии ионизации «Ui» оксидов. Умеренная корреляционная связь с морфологией швов наблюдается для температуры плавления оксидов «Tmo» для обеих величин тока, температуры кипения «Tbo» и энергии ионизации «Ui» оксидов при сварке на токе 200А.
Рис.13. Зависимость отношения «P/W» от поверхностного натяжения оксидов «о» Изучение влияния потенциал ионизации оксидов на морфологию сварных швов стали CrNi18-10 (рис. 14) выявил благоприятное воздействие этого показателя при повышении его значений до 12 eV, что можно объяснить повышением температуры сварочной дуги [8], а дальнейшее её увеличение снижает эффективность действия сварочной дуги на его проплавляющую способность, по-видимому, из-за снижения действия этого эффекта за счет ухудшения других физико-химических свойств оксидов.
Рис. 15. Степень корреляции (коэффициент детерминированности R ) связи между морфологией сварных швов «P/W» нержавеющей стали CrNi18-10 и физико-химическими свойствами оксидов, использованных при А-ТИГ сварке
Таким образом, полученные результаты позволяют предположить, что, по-видимому, наряду с другими известными механизмами, имеет место механизм механического воздействия на сварочную дугу вследствие образования вокруг анодного пятна шлака флюса, обладающего высоким электросопротивлением и тугоплавкостью (рис. 16). Эффективность действия флюса-оксида на сжатие дуги и его проплавляющей способности зависит от таких физических свойств оксида как температура плавления (Tmo), кипения (Tbo), их разности (Tbo _ Tmo) и температурного интервала существования жидкого флюса в диапазоне температур плавления и кипения свариваемого металла (Timf). От этих показателей зависит величина ширины шлака, образующегося на краях сварочной ванны (Ws) и ширины проплава на периферийных участках сварного шва (We) и чем выше значения Ws и We, тем глубже проплавление шва.
Этот механизм может действовать одновременно и в совокупности с другими известными механизмами (рис. 17) и преобладание действия какого-либо из них может зависеть от многих факторов, начиная от химического состава свариваемого металла и флюса и заканчиваясь условиями и параметрами А-ТИГ сварки. Эффективность действия флюсов-оксидов на их механизм действия и морфологию сварного шва нержавеющей стали CrNi18-10 зависит от физико-химических свойств оксидов и содержания кислорода в составе оксида.
а б
Рис.16. Схемы ТИГ сварки (а) и А-ТИГсварки с использованием флюсов-оксидов (б)
Рис. 17. Механизмы действия флюсов при А-ТИГ сварке
При высоких значениях энергии сварки, по-видимому, в результате более интенсивного протекания процессов металлургического воздействия расплава флюса на метал сварочной ванны, а его газообразных продуктов на характеристики сварочной дуги, действие флюсов-оксидов протекает по механизму, связанному с одновременным и взаимосвязанным влиянием флюсов на дугу и сварочную ванну [4, 9-14].
Также, по-видимому, для флюсов-оксидов, имеющих температуру кипения (ТЬо) ниже температуры плавления свариваемого металла (Ттт), преобладает механизм действия, заключающийся в сжатии дуги газообразными продуктами флюсов [20].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Полученные в настоящей работе результаты показали, что морфология сварных швов стали Сг№18-10, полученных при А-ТИГ сварке с флюсами-оксидами, зависит от таких физических свойств оксидов, как температура плавления «Тго», температура кипения «ТЬо» и температурных интервалов «ТЬо-Тго» и «Т|г^» , поверхностного натяжения (о) и потенциала ионизации «Ш». Также, выявлено, что при использовании в качестве активирующих флюсов оксидов важным фактором в эффективности действия флюсов на формирование сварных швов играют содержание кислорода в оксиде и его физико-химические свойства.
2. Механизм действия флюсов при сварке нержавеющей стали Сг№18-10 может протекать по нескольким механизмам в совокупности и преобладание действия какого-либо из них
зависит от многих факторов, начиная от химического состава флюса, его физико-химических свойств и заканчивая условиями и параметрами режима ТИГ сварки.
3. Предложена гипотеза о том, что механизм механического сжатия дуги наиболее вероятен, когда в качестве флюсов-оксидов при А-ТИГ сварке используются оксиды, имеющие температуру плавления (Тго) ниже температуры кипения свариваемого металла (ТЬт), а температуру кипения (ТЬо) выше температуры плавления свариваемого металла (Ттт). Это приводит к образованию на поверхности сварочной ванны двух зон: центральной зоны (анодное пятно) и образующуюся вокруг анодного пятна периферийную зону. При этом, центральная зона имеет глубокое проплавление цилиндрической формы, а периферийная зона имеет небольшую глубину, имеющую максимальную глубину на границе с первой зоной. Вследствие этого, образующийся сварной шов имеет форму, отличающуюся от формы швов при стандартной сварке ТИГ.
4. Проведенные работы по изучению влияния физико-химических свойств оксидов при ТИГ сварке нержавеющей стали марки Сг№18-10 позволили выявить требования к указанным свойствам флюсов-оксидов для наиболее эффективного действия на формирование сварных швов:
а) Температура плавления оксидов «Тго»:
Ттт < Тто < ТЬт
б) Температура кипения оксидов «ТЬо»:
Ттт < ТЬо < ТЬт
в) Интервал температур кипения и плавления оксидов «Tbo - Tbo »:
Tbo - Tbo £ 800o
г) Поверхностное натяжение оксидов «о»:
200 mJ/m2 < а < 400 мДж/м2
д) Потенциал ионизации оксидов «Ui»:
Ui >10,5 эВ
е) Содержание кислорода в оксиде «O2»:
O2 >30%
Список литературы:
1. Островский О.Е., Крюковский В.Н., Бук Б.Б. и др. Влияние активирующих флюсов на проплавляющую способность сварочной дуги и концентрацию энергии в анодном пятне//Сварочное производство. -1977. - № 3. - С. 3-4.
2. Савицкий М.М., Лесков Г.И. Механизм влияния электроотрицательных элементов на проплавляющую способность дуги с вольфрамовым катодом//Автоматическая сварка. -1980. - № 9. - С. 17-23.
3. Букаров В.А., Ищенко Ю.С, Ерохин А.А. Некоторые характеристики дуги при сварке стали типа 18-8 с окисленной поверхно-стью//Сварочное производство. - 1975. №10, .-С. 3-4.
4. S. Leconte, P. Paillard, P. Chapelle, G. Henrion and J. Saindrenan, Effect of oxide fluxes on activation mechanisms of tungsten inert gas process. Science and Technology of Welding and Joining 2006 VOL 11 No 4, 389-397 pp.
5. Симоник А.Г., Петвиашвили В.И., Иванов А.А. Эффект контракции дугового разряда при введении электроотрицательных элементов/сварочное производство. -1976.-№3.-С. 49-51.
6. Ishizaki K. Interfacial tension theory of arc welding phenomena: formation of welding bead. J Jpn Weld Soc 1965;34:34,
7. Mills KC, Keene BJ, Brooks RF, Shirali A. Marangoni effects in welding. Philos Trans R Soc A Math Phys Eng Sci 1998;356:911-25
8. M.Tanaka, T.Shimizu, H.Terasaki, M.Ushio, F. Koshi-ishi and C.L.Yang -Effects of activating flux on arc phenomena in gas tungsten arc welding. Science and Technology of Welding and Joining, 2000, Vol. 5, No. 6
9. Гуревич, В. П. Замков, В. Е. Блащук и др. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов.- Киев.: Наукова думка, 1986. - 240 с.
10. Бадьянов Б.Н., Давьщов В.А., Иванов В.А. и др. Выбор состава смеси для увеличения проплавляющей способности дуги/сварочное производство. - 1977, -№4.-С. 26-28.
11. Патон Б.Е., Замков В.Н., Прилуцкий В.П. и др. Контракция дуги флюсом при сварке вольфрамовым электродом в ар-гоне//Автоматическая сварка. - 2000. - № 1. -С. 3-9,22.
12. Савицкий М.М., Кушнирепко Б.Н., Олейник О.Н. Особенности сварки сталей вольфрамовым электродом с активирующими флю-сами//Автоматическая сварка. - 1999.-№12.-С. 18-22.
13. Ерошенко Л.И., Прилуцкий В.П., Замков В.Н. Изучение процессов в дуге при сварке титана неплавящимся электродом// втомати-ческая сварка. - 1994. - № 4. - С 3-5.
14. Ерошенко Л.И., Прилуцкий В.П., Замков В.Н, Исследование свечения паров анода в дуге при сварке титана вольфрамовым электродом в аргоне по слою флюса//Автоматическая сварка. -1997. - № 11. - С. 11-13.
15. Бадьянов Б.Н., Давьщов В.А., Колупаев Ю.Ф. Изменение размеров зоны электропроводности дуги при введении газообразных галогени-дов в аргон//Автоматическая сварка. - 1977. - Х2 4. - С. 67-68.
16. Смирнов Б.М. Сжатие положительного столба дуги высокого давления/Теплофизика высоких температур. -1997.-35.-Х» 1.-С. 14-18.
17. Смирнов В.Б. Отрицательные ионы/ В.Б. Смирнов. - М.: Наука, 1978. - 756 с.
18. Бадьянов Б.Н., Давьщов В.А., Колупаев Ю.Ф. Использование газообразных галоидных соединений при сварке плавлени-ем//Сварочное производство. - 1982. - №4.-С. 16-17.
19. Бадьянов Б.Н., Давьщов В.А., Колупаев Ю.Ф. Актуальные проблемы сварки цветных металлов//Доклады 2 Всес. конф. - Ташкент, 1982. - С. 238-240.
20. Бадьянов Б.Н., Давьщов В.А., Иванов В.А. Некоторые характеристики дуги, горящей в аргоне с добавкой галоидосодержащего газа//Автоматическая сварка. - 1974.- № 11. - С. 67.
21. Букаров В.А., Ищенко Ю.С., Лошакова В.Г. Влияние конвекции металла в сварочной ванне на проплавление//Сварочное производство. -1978. - № 11. - С. 4-7.
22. Колупаев Ю. Ф. Исследование особенностей дугового разряда и разработка технологии сварки в галоидосодержащих защитных средах/ Ю. Ф. Колупаев. - Диссертация к.т.н. -М.: МАТИ, 1982.
23. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности/ - М.: Машиностроение, 1973. -448 с.
24. Патон Б.Е., Воропай Н.М. Сварка активированным плавящимся электродом в защитном газе//Автоматическая сварка. - 1979. -№ 1. - С. 1-7.
25. Руссо В.Л., Суздалев И.В., Явно Э.И. Влияние напряжения дуги и геометрии заточки неплавящегося электрода на силовое воздействие дуги//Сварочное производство. - 1977. - Ко 7. - С 6-8.
26. Ерохин А.А., Букаров В.А., Ищенко Ю.С Влияние геометрии вольфрамового катода на некоторые характеристики сварочной дуги и проплавление металла//Сварочное производство. - 1971. -№ 12. - С. 17-19.
27. Воропай Н.М., Кривцун И.В. Газодипамические характеристики: плазменных потоков в сварочных дугах // Магнитная гидродинамика. -1978. - № 3. - С. 113-118.
28. Detlef f. Hofe Progressiven TechnologUin der Verbindungen//International conference. Welding and connection 2000. New materials and prospects. Israel. - 2000. - P. 23-36.
29. Патон Б.Е., Савицкий M.M., Гвоздецкий B.C. Применение активных флюсов и активных газов для повышения эффективности дуговой и плазменной сварки // Автоматическая сварка. - 2003. -№ 5. - С. 3-6.
30. Походня И.К. Газы в сварочных швах/ И. К. Походня. - М.: Машиностроение, 1972.-256 с.
31. Сварка в машиностроении/ Справочник. ТЛ., Т.З. Под ред. Ольшанского П.А., Зорина Ю.Н. - М.: Машиностроение, 1978. -1979.
- 504 с. - 512 с.
32. Савицкий М.М., Кушниренко Б.М., Лупан А.Ф. Особенности формирования шва при сварке по слою активирующего флю-са//Автоматическая сварка. - 1981. - №2.-С. 19-21.
33. Воропай Н.М., Лебедева О.В., Бойко В.П. Физические свойства сварочных шлаков на основе ТЮ2, образующихся при плавлении активированных проволок//Автоматическая сварка. - 1989. - № 3.
- С. 19-23.
34. Пацкевич И.Р. Поверхностные явления в сварочных процессах/ И. Р. Пацкевич, Г. Ф. Деев. - М.: Металлургия, 1974. -120 с.
35. http://chemister.ru/Database/list-substances.php?substance=F
36. G.V.Samsonov. Physico-chemical properties of oxides. Reference book. Metallurgy. 1978, 465 pp.
37. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p. 1118. ISBN 0-08037941-9.
38. Jump up Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed. Edited by G. Brauer, Academic Press, 1963, NY. p. 1520
39. http://mathbits.com/MathBits/TISection/Statistics2/correlation.htm
40. Подгаецкий В.В. Сварочные ншаки/ В.В. Подгаецкий, В.Г. Кузьменко. - Киев.: Наукова думка, 1988. - 254 с.
41. Паршин С.Г. Технология ручной аргонодуговой сварки труб из стали 12ХШФ с применением активирующих флюсов/ С.Г. Паршин.
- Диссертация к.т.н. - Тольятти.: ТПИ, 2001. - 130 с.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью Р.М. Саидова, И.Г. Атабаева, Ж.З. Ахадова, Д.Р. Комиловой, З.С. Мухитдинова, Марио Куша, Петер Майра, Кевин Хоефера «Исследование влияния физико-химических свойств флюсов-оксидов на формирование сварных швов нержавеющих сталей»
В статье приведены результаты исследовании по изучению влияния физико- химических свойств оксидных флюсов на формирование сварных швов нержавеющей стали Сг№18-10 при аргонодуговой сварке.
Известно, что активирующие флюсы оказывают влияние на форму и энергетические характеристики дуги. Это способствует изменению форм и размеров сварных швов, т.е. увеличению глубины проплава и сужению его ширины.
В работе авторы в качестве флюсов использовали такие индивидуальные оксиды как МДО, SЮ2, ТЮ2, Сг203, Fe2Oз, WOз и Со304. Флюсы использовались в виде паст, которые получали при смешивании порошков оксидов со спиртом в весовом соотношении 1:1, которое обеспечивало получение слоя флюса на поверхности пластин толщиной 0,24 мм. Слой пасты наносился с помощью кисточки на половину пластины шириной до 10 мм.
Полученные расчетные и экспериментальные результаты исследований позволили определить влияние физико-химических свойств индивидуальных флюсов-оксидов на особенности формирования сварных швов нержавеющей стали СгМ18-10 и влияние этих свойств на морфологию сварных швов и механизм действия флюсов, а также позволили выявить рекомендации к указанным свойствам флюсов.
В результате проведенных исследований выявлено, что сварные швы с двумя зонами, образуются при А-ТИГ сварке с флюсами-оксидами, имеющими температуру плавления ниже температуры кипения свариваемого металла, а температуру кипения выше температуры плавления свариваемого металла.
В соответствии с этой зависимостью, глубина проплавления шва при А-ТИГ сварке с индивидуальными флюсами-оксидами зависит от ширины зоны на периферийны« участках шва ^е), которая связана с шириной шлака флюса (Ws) над этой зоной. Этот эффект подтверждает гипотезу о том, что механизм действия активирующих флюсов на проплавляющую способность сварочной дуги может быть связан со свойствами шлака, образующимися на поверхности сварочной ванны.
Следует отметить, что эти результаты свидетельствуют о тесной связи между температурами плавления и кипения свариваемого металла и оксидов, применяемых при А-ТИГ сварке. Индивидуальные флюсы-оксиды тем эффективнее воздействуют на морфологию швов, чем выше температурный интервал между кипением и плавлением окислов, т.е. когда флюс находится в жидкой фазе в интервале температур плавления и кипения свариваемого металла. Связь между величиной разности температур плавления и кипения оксидов и морфологией швов показывает высокую корреляцию при ТИГ сварке.
Проведенные работы по изучению влияния физико-химических свойств оксидов при ТИГ сварке нержавеющей стали марки СгМ18-10 позволили выявить требования к указанным свойствам флюсов-оксидов для наиболее эффективного действия.
Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне и может быть опубликована в открытой печати.
Рецензент,
д-р техн. наук
Рахимов Р.Х.
