CC BY
73
4. Пфаненштиль И. А., Яценко М. П., Бори- 6. Borisenko I. G., Volodina D. N. сенко И. Г. Проблемы образования в информационном EDUCATIONAL SMART TECHNOLOGIES IN THE обществе: социально-философский аспект // Профес- EDUCATIONAL PROCESS Журнал Сибирского сиональное образование в современном мире. - 2013. - федерального университета. Серия: Гуманитарные № 4 (11). - С. 60-65. науки. - 2015. - Т. 8. - № 3. - С. 489-493.
5. Пфаненштиль И. А., Яценко М. П., Бори- 7. Borisenko I.G. EDUCATION IN сенко И. Г. Лимит модернизации системы образования INFORMATION SOCIETY: A TREND TO и роль государства // Профессиональное образование в VIRTUALIZATION // Журнал Сибирского современном мире. - 2014. - № 1 (12). - С. 128-134. федерального университета. Серия: Гуманитарные
науки. - 2015. - Т. 8. - № 6. - С. 1131-1143.
О ПРЯМОМ МОДИФИЦИРОВАНИИ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ
Якушин Борис Фёдорович
д. т. н., профессор кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н. Э. Баумана,
Потапов Сергей Вениаминович инж., главный инженер МТФ «Мостоотряд -4» ПАО «Мостотрест»,
Килёв Валентин Сергеевич инж., аспирант МГТУ им. Н. Э. Баумана
РЕФЕРАТ
Модифицирование - обработка расплава вводом весьма малых добавок высокоактивных элементов, приводящая к резкому изменению структуры. В частности, при модифицировании чугуна титаном и кремнием предотвращают его отбел, а вводом магния графит в чугуне переводят в шаровидную форму. Эту операцию производят в автоклавах, герметизированных ковшах, изолирующих металл от атмосферы для защиты модификаторов.
Более сложно модифицирование сварочной ванны, где неизбежен контакт с атмосферой. При сварке электродами с покрытием ввод модификаторов осуществляют не в чистом виде, а в условиях химической защиты другими элементами - инокуляторами, используя доменные ферросплавы, например Fe[Ti]. При автоматической сварке с использованием электродной проволоки, содержащей модификаторы Ti и Al, капельный перенос металла через высокотемпературный столб дуги приводит к их окислению, что снижает их коэффициент перехода в ванну, а также увеличивает количество шлаковых включений, снижающих стабильность механических свойств и хладостойкость металла шва.
Цель настоящей работы - исследование метода прямого ввода элементов - модификаторов в сварочную ванну в составе сварочной проволоки, минуя высокотемпературный столб дуги и стадию капли - сварку с дополнительной горячей присадкой (ДГП), а также анализ некоторых работ, посвящённых аналогичным способам модифицирования.
SUMMARY
Modifying - the fusion processing by input of very small additives of highly active elements leading to sharp change of structure. In particular, when modifying cast iron by the titan and silicon prevent it I beat off, and magnesium input graphite in cast iron is transferred to a spherical form. This operation is made in the autoclaves, the pressurized ladles isolating metal from the atmosphere for protection of modifiers.
Modifying of a welding bathtub where contact with the atmosphere is inevitable is more difficult. When welding by electrodes with a covering input of modifiers is carried out not in pure form, and in the conditions of chemical protection by other elements - inokulyator, using domain ferroalloys, for example Fe[Ti]. At automatic welding with use of the electrode wire containing Ti and Al modifiers, drop transfer of metal through a high-temperature column of an arch leads to their oxidation that reduces their coefficient of transition to a bathtub, and also increases number of the slag inclusions reducing stability of mechanical properties and cold resistance of metal of a seam.
The purpose of the work - research of a method of a direct input of elements - modifiers in a welding bathtub as a part of a welding wire, passing a high-temperature column of an arc and a stage of a drop - welding with the additional hot filler wire (WHW).
Ключевые слова
Инокуляция, оксиды, карбиды, нитриды титана, ферросплавы, жидкий металл ванны, дополнительная присадка, количество и место ввода, устройства подачи и нагрева, коэффициенты перехода элементов в шов и в шлаковую ванну.
Keywords
Inokulyation, oxides, carbides, nitrides of the titan, ferroalloys, liquid metal of a bathtub, additional additive, quantity and a place of input, the device of giving and heating, coefficients of transition of elements to a seam and in a slag bathtub.
Методика исследования феррито-перлитной проволокой типа Св-08ГСМТ диа-
Стальные образцы легированной стали 10 метром 4мм, содержащим 0,05-0,12% Ti, и аустенит-ХН3МФ толщиной 20-60 мм сваривали под флюсом ной Св-10Х19Н23Г2М5ФАТ диаметром 4мм. Также
применяли сварку с ДГП, т.е. с дополнительной горя- вводимой в охлаждающуюся часть сварочной ванны, чей присадкой того же состава, диаметром 1,6-2,0 мм, по схеме на рис. 1.
Ъ 5
Рисунок 1. Схема процесса автоматической сварки под флюсом с ДГП: 1 - основной металл; 2 - дуга; 3 - источник питания дуги, 4 - флюс, 5 - механизм подачи электродной проволоки; 6 - сварочная ванна; 7 - механизм подачи присадки; 8 - электродная проволока; 9 - ДГП; 10 - источник нагрева присадки; 11 - затвердевший шлак; 12 - металл шва
Относительное количество вводимой присадки Она варьировалась в пределах 0,8 - 1,3 в зависимости
(Сдгп) на единицу длины шва было близко к массе рас- от положения очередного прохода в разделке. Режимы
ходуемого электрода. Соотношением Gдгп / Gэл = в сварки образцов приведены в табл. 1. определяли долю ДГП в шве при сварке с присадкой.
Таблица 1
Опробованные режимы сварки с ДГП конструкционной стали (Коэффициент наплавки - 20 - 26 г/А*ч; Диаметр проволоки ^т = 2мм)
Наименование прохода Iсв, А Ид, В УСв*10-2м/с Р -вдги/Оэл. р-а/Ьв 1дгп,А Цдгп, В
Корневой 650-750 42-44 0,5-0,7 0,5-0,8 0,3-0,6 180-300 10-12
Остальные 750-850 44-48 0,5-0,7 0,7-1,3 0,2-0,5 150-250 10-12
Сравнение результатов модифицирования титаном при двух схемах его введения при сварке: стандартной, через столб дуги и стадию капли и с прямым вводом в ванну, - проводили по технологическим пробам (ГОСТ 26388-84 и ГОСТ 26 389-84), а также машинными методами по показателям Укр и 5р тт - сопротивляемости горячим и холодным трещинам сварных соединений и металлографически, по его структуре.
При оценке сопротивляемости горячим и холодным трещинам использовали технологические пробы и методы с принудительным нагружением и деформированием сварных образцов в процессе сварки и при вылеживании по ГОСТ 26389-84 и ГОСТ 26388-84.
Сплошность швов определяли методами УЗК и РГК. Анализ микроструктуры проводили на шлифах в поперечном сечении металла шва. Границы аустенитных зёрен выявляли электролитическим травлением.
Результаты исследования
Отмечено, что число проходов при сварке с ДГП резко снижается, несмотря на практическое постоянство силы тока и скорости сварки. При сварке образцов толщиной 66 мм число проходов снизилось с 30 до 19 (Рис. 2).
Рисунок 2. Макроструктура стыковых сварных соединений высокопрочной стали 10ХН3МФ, выполненных по Х-образной разделке. Толщина плит - 66мм. Верхняя часть шва выполнена без просадки, нижняя - с горячей
присадкой 10Х19Н23Г2М5ФАТ: а) Схема раскладки валиков в сварном шве б) Макроструктура стыка
Несмотря на увеличение поперечных сечений качестве металла многослойного шва, содержащего каждого прохода при сварке с ДГП, дефекты типа тре- повышенное количество титана вследствие ввода тита-щины не выявлены при микроструктурном исследова- носодержащей присадки в охлаждающуюся часть сва-нии. Этот результат свидетельствует о более высоком рочной ванны (табл. 2).
Таблица 2
Химический состав металла шва, выполненного под флюсом при сварке стали 10ХН3МФ электродом и
присадкой Св-08ГСМТ
Способ сварки Содержание элементов, %
С Mn Si & № Mo
С ДГП 0,06 1,21 0,37 0,13 1,55 0,34 0,068
Без присадки 0,07 0,81 0,49 0,51 1,80 0,24 0,013
Получено, что при сварке с ДГП проволокой, идентичной с электродом по марке сопротивляемость горячим и холодным трещинам возрастает на 20-30%.
Наиболее наглядны результаты, полученные при сварке жёстких проб с канавками по ГОСТ 2638984. Разделку заполняли при варьировании силы тока и
скорости сварки, сохраняя высоту и площадь поперечного сечения шва [2].
Выявлено, что при сварке аустенитным электродом ввод ДГП того же состава резко расширяет диапазон режимов без образования горячих продольных трещин (Рис. 3).
Рисунок 3. Увеличение силы тока 1св. и скорости сварки Усе, при отсутствии горячих трещин в технологической пробе «с канавками», при сварке с ДГП: 1 - сварка без присадки; 2 - с присадкой ; (а) - сталь 30ХН3МФДА, электрод Св-08Х20Н9Г7Т; (б) - сталь типа 12ХН4МДА, электрод Св-
10Х16Н25АМ6
Из рис. 3 следует, что при сварке легированных При анализе химического состава наплавлен-
сталей различных классов с ДГП образование ГТ про- ного металла (Табл.3) установлены причины повыше-исходит при более высокой силе тока и скорости ния трещиностойкости при вводе ДГП. Первая при-сварки. чина - снижение уровня водорода в шве за счет увели-
чения доли в шве сварочных материалов, включая ДГП.
Таблица 3
Содержание водорода в наплавленном металле (см3/100г) при сварке на режимах: Гв = 550-700А; Цв =
35-40В; vсв = 12-20м/ч
Вариант Марка электрода и присадки Марка электрода и присадки
10Х19Н23Г2М5ФАТ 08Х20Н9Г7Т
Сварка с присадкой 3,0 4,9
Сварка без присадки 4,6 6,9
Вторая причина заключается в модифирующем действии титана. Известно, что титан является наиболее эффективным модификатором и раскислителем. В металле электродной проволоки атомы титана находятся в твёрдом растворе, и при расплавлении в сварочной ванне они входят в жидкий металл в виде атомов (наночастиц). Далее, при снижении температуры происходит их группировка по законам флуктуации в тугоплавкие твердые частицы - кластеры. Если размеры кластеров больше критического, то они не расплавляемого в расплаве, и имея решётку ГЦК, служат эффективными модификаторами - зародышами кристаллизации. Другая часть атомов титана служит рас-кислителем, окисляясь в ванне, или образует карбиды и нитриды, так как в сварочной ванне неизбежно содержатся кислород, углерод и азот. Оксиды, карбиды и нитриды также могут служить зародышами кристаллизации, что также было указано в работе [8].
При сварке под флюсом наиболее велика вероятность окисления титана в столбе дуги и в капле, а также в реакциях раскисления шлака. Поэтому сварочная проволока Св 08ГСМТ, служащая электродом и содержащая 0,05-0,12% Т (Табл. 2) образует шов с 4-кратным уменьшением содержанием Т (0,013%).
Однако при вводе идентичной проволоки в охлаждающуюся сварочную ванну уровень титана достигает максимума (0,068%), по сравнению со сваркой без ДГП.
Аналогичное явление имеет место при сварке аустенитной проволокой, содержащей модификаторы Т1, А1, а также иттрий (У).
Следовательно, наличие модификаторов в дополнительной сварочной проволоке при её вводе в сварочную ванну позволяет прогнозировать избирательное или комплексное модифицирование, последовательность которых можно определить термодинамическими методами.
Фактически модифицирующее воздействие титана в настоящей работе подтверждено двумя способами:
- путём измерения междендритных расстояний в столбчатой структуре аустенитного шва;
- путём оценки сопротивляемости горячим трещинам металла шва.
Результаты микроструктурного металлографического исследования приведены в табл. 4.
Таблица 4
Средние расстояния между осями дендритов (10) в шве в зависимости от режима сварки и количества вводимой горячей присадки
Сварка без присадки 1Св = 400А Усв - 4*10-3м/с 1Св = 400А Усв - 7*10-3м/с 1Св = 600А Усв - 7*10-3м/с
10 - 0,081мм 10 - 0,073мм 10 - 0,092мм
Сварка с ДГП 1Св = 400А Усв - 4*10-3м/с в=0,9; Р-0,6 1Св = 400А Усв - 7*10-3м/с в=0,9; Р-0,6 1Св = 600А Усв - 7*10-3м/с в=0,9; Р-0,6
10 - 0,036мм 10 - 0,043мм 10 - 0,047мм
Следовательно, несмотря на высокую раскисляющую способность Т1, модифицирующее воздействие имеет место. Однако сохраняется неопределённость в последовательности прямого модифицирования Т1, или его соединениями (ТЮ2, ТЮ, Т1М, Т182).
Испытание на ГТ на режимах, при которых не зарождаются ГТ в пробе, проводили в условиях деформации кристаллизующегося шва по схеме изгиба с растяжением верхней части шва. Определяли машинную
критическую скорость растяжения Укрм, при которой в шве зарождались ГТ, а также скорость охлаждения металла в центре шва. На рис. 4 представлены значения акрм (м/0С)= Укрм(м/с)/ю12оо-14оо(°С/с) (ю - скорость охлаждения шва в интервале температур (1400-1200)0С) при сварке с присадкой и без присадки для сталей различных классов.
Рисунок 4. Влияние ввода ДГП на сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин
Из рис. 4 следует, что при сварке с ДГП акрм значительно выше, чем при сварке без присадки. Следует предположить, что при этом из-за модифицирования меньше размер зерна и выше пластичность шва в температурном интервале кристаллизации.
При испытаниях на склонность к холодным трещинам показатель Стршт (рис. 5) также был выше при сварке с ДГП (рис. 5).
Рисунок 5 Влияние ввода присадки на сопротивляемость ОШЗ образованию холодных трещин: а - Сравнение минимальных растягивающих напряжений а р.мин, при которых появлялись горячие трещины, для сварки с крупкой (ДГМ) , сварки с ДГП и сварки без присадки различных сталей;
б - Схема испытания образцов
Следует предположить, что при этом испытании повышение стртш связано со снижением скорости охлаждения шва и ОШЗ (рис. 6) и снижением водорода в металле шва.
Рисунок 6. Термический цикл сварки без присадки (1) и при введении дополнительной горячей присадки (2). г8/5 (1) и т8/5 (2) - соответственно время охлаждения ОШЗ с 800 до 500°С для кривых 1 и 2
В работе [5] замечено, что введение наноразмер- повышение ударной вязкости в шве при сварке стали ных тугоплавких частиц в сварной шов приводит к по- 12ХН3МДА электродом Св-08ГСМТ и идентичной вышеиию ударной вязкости. Этим можно объяснить ДТП по сравнению со сваркой без присадки (рис. 7).
Рисунок 7. Сравнение средних значений ударной вязкости в шве образцов из стали 12ХН3МДА, сваренных электродом Св-08ГСМТ с ДГП того же состава и без присадки
Из рис. 7 следует, что помимо модифицирования ударную вязкость повышает охлаждающее действие присадки, снижающее время пребывания ЗТВ в интервале температур интенсивного роста зерна.
Описанный способ «сварка с ДГП» отличается от сварки с ДХП, т.е. с применением холодной проволочной присадки, описанной У. Дилтеем и др. [9]. Главное отличие в том, что холодная присадка диаметром 2 мм, для увеличения скорости ее усвоения, подается в активную зону дуги (рис. 8). При этом снижается как коэффициент наплавки, так и доля модифицирующего элемента (алюминия). При этом эффект сохране-
ния модификатора А1 проявляется слабее, а максимальное количество вводимой присадки не выше 60% от электрода при вводе присадки в активную зону дуги.
Третий вариант модифицирования, изложенный в работе [1], основан на эффекте перехода Т из флюса в металл, впервые выявленный в работе Кони-щева Б.П. [3]. В этом варианте в качестве переносчика флюса в шов применяют гранулированный присадочный металл (ГПМ) в виде крупки, т.е. рубленной проволоки малого диаметра. Для вода модификатора Т используется диоксид ТЮ2, размалываемый в плане-
тарных мельницах и перемещаемый с крупкой, которая засыпается перед слоем флюса в разделку. При расплавлении в сварочной ванне ТЮ2 взаимодействует с флюсом, содержащим А1203. В результате химической реакции в жидком шлаке образуются мелкие включения титана в металлическом виде, а также его оксидов.
нитридов и карбидов. Этот способ включает множество операций: рубка проволоки, перемешивание рубленой проволоки и порошка ТЮ2, прокалка перед сваркой с тщательным перемешиванием [9], засыпка крупки перед флюсом в разделку, и ,следовательно, он менее технологичен и более трудоёмок.
Рис. 8. Схематическое представление процесса дуговой сварки под флюсом с использованием холодной проволоки
Способ сварки с ГПМ отличается невозможностью управления нагревом гранул, а также тем, что диоксид ТЮ2 - компонент шлака, попадает в активную зону дуги и взаимодействует с расплавленным флюсом, а продукты взаимодействия - шлаки поступают на поверхность охлаждающейся зоны сварочной ванны.
Многозвенность химических процессов приводит к колебаниям доли титана и дисперсии (нестабильности) механических свойств металла шва.
Увеличение при сварке с ДГП коэффициента наплавки и одновременно скорости сварки позволяет уменьшить число проходов в 2 раза по сравнению со сваркой без присадки и до 20% по сравнению со сваркой с крупкой (ГПМ, ДГМ) (рис. 9).
Рисунок 9. Сравнение количества проходов, выполняемых при сварке стыковых соединений высокопрочной
стали толщиной 29мм при равной скорости сварки: а) сварка без присадки; б) сварка с ДГМ; в) сварка с ДГП [8].
Выводы
1. Способ «сварка с ДГП» позволяет с наибольшей эффективностью осуществлять прямой ввод элементов-модификаторов при автоматической сварке с большой погонной энергией, одновременно производя легирование металла другими элементами (ферритиза-торами и т.п.), содержащимися в дополнительной присадке, подаваемой в объем охлаждающейся части сварочной ванны, а также в два раза повысить коэффициент наплавки, по сравнению с однодуговой сваркой.
2. При сварке аустенитным швом закаливающихся сталей применение способа «сварка с ДГП» позволяет резко снизить перегрев основного металла в околошовной зоне путём увеличения скорости сварки и скорости охлаждения, при прямом модифицировании, повышающим стойкость против горячих трещин в высокотемпературной части цикла в интервале температур у - а превращения и последующем охлаждении.
3. При «сварке с ДГП» уменьшению склонности к холодным трещинам способствует снижение таких факторов, как перегрев ОШЗ, остаточные напряжения, содержание водорода в наплавленном металле.
Литература
1. Болдырев. А. М. Оценка термодинамических факторов взаимодействия металлохимической присадки со сварочной ванной / А. М. Болдырев, Д. А. Гущин, В. Д. Кузнецов, И. В. Смирнов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. 2014. №2 (34). С. 24-33.
2. Деев А. И. Разработка технологии автоматической сварки с присадкой толстолистовой высокопрочной стали стабильноаустенитными сварочными материалами. Афтореферат дисс. канд. техн. наук, М., 1988. 216с.
3. Конищев Б. П. Восстановление титана из шлака при сварке стали под флюсом // Сварочное производство. - 1996. № 12.
4. Макаров Э. Л., Якушин Б. Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов.- М.: Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2014. - 487с.
5. Современные представления о модифицировании наплавленного металла шва наноразмерными частицами / Н. В. Коберник, Р. С. Михеев, А. С. Панкратов, А. А. Линник // Сварка и Диагностика. 2015. №5. С. 13-18.
6. СТО-ГК «Трансстрой»-005-2007. Стальные конструкции мостов. Технология монтажной сварки.
7. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / А.В. Коновалов [и др.]; Под ред. В.М. Неровного. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.
8. Тихонов В. П. Исследование и разработка способа повышения стойкости против трещин при сварке трудносвариваемых сталей швами переменного состава. Афтореферат дисс. канд. техн. наук, М., 1988.
9. У. Райзген, У. Дилтей, И. Аретов. Повышение устойчивости к горячему растрескиванию в процессе дуговой сварки под флюсом сплавов на основе никеля с использованием холодной проволоки: Пер с нем. // Сварка и резка. 2009. №2. С. 23-31.
