CC BY
5DOI: 10.24412М -37269-2024-1-130-138
ПОВЫШЕНИЕ ХЛАДОСТОЙКОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ МОДУЛИРОВАННОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА
ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
Тимофеев М.Н., Галяткин С.Н.
Приведены исследования влияния параметров переменного сварочного тока на хладо-стойкость металла сварного шва легированных и углеродистых сталей при автоматической сварке под флюсом. Установлено, что применение переменного сварочного тока прямоугольной формы импульса по сравнению с постоянным током обратной полярности, позволяет снизить содержание кислорода в металле шва, что объясняется различием процессов взаимодействия расплавленной шлаковой и металлической фаз при использовании постоянного и переменного тока. Также выявлено снижение содержания кремния в металле шва в случае использования высококремнистого сварочного флюса за счет снижения интенсивности крем-нийвосстановительного процесса. Содержание остальных примесных и легирующих элементов при этом остается неизменным. Снижение содержания кислорода в металле шва привело к повышению его ударной вязкости при отрицательных температурах. Прочие механические свойства остались на прежнем уровне. Проведенные исследования позволяют рекомендовать применение модулированного переменного тока при выполнении сварных соединений высокоответственного оборудования методом автоматической сварки под флюсом.
Введение. Автоматическая сварка под флюсом на сегодняшний день является наиболее широко применимым способом сварки при изготовлении толстостенных сосудов давления в таких отраслях, как нефтехимическое производство, тепловая и ядерная энергетика.
Обеспечение высокой хладостойкости сварных соединений такого оборудования, изготавливаемого из углеродистых, кремниймарганцовистых и низколегированных сталей, на сегодняшний день является актуальной задачей. Требования к хладостойкости предъявляют в тех случаях, когда предполагается эксплуатация оборудования на открытом воздухе, например, реактора и ректификационные колонны нефтеперерабатывающих заводов, либо же когда под воздействием эксплуатационных факторов работы оборудования (высокая температура, флюенс нейтронов) имеет место деградация механических свойств сварных соединений - снижение их сопротивления хрупкому разрушению.
В отечественном машиностроении сейчас наиболее распространены источники питания сварочной дуги постоянным током, так как считается, что при сварке на постоянном токе обратной полярности в наибольшей степени удается обеспечить стабильность процесса сварки.
В работах [1-3] показано, что применение современных источников питания переменным током позволяет обеспечить надлежащее качество сварного соединения, при этом, повысить производительность процесса сварки за счет выделения большего количества теплоты на плавящемся электроде.
Исследованиями работах [4 и 5] показано, что применение переменного тока, в сравнении с постоянным током обратной полярности, при автоматической сварке под флюсом Cr-Mo-V и Сг-№-Мо теплоустойчивых сталей позволило понизить исходную критическую температуру хрупкости, являющуюся характеристикой сопротивления хрупкому разрушению для материалов корпуса ядерного реактора.
Современные источники питания сварочной дуги при автоматической сварке под флюсом позволяют выполнять управление процессом сварки за счет управления формой сварочного тока. Недостаточно изучено влияние параметров переменного тока на хладостойкость металла шва.
Задача исследования - определение влияния параметров переменного тока на механические свойства, включая хладостойкость, металла шва при автоматической сварке под флюсом.
Материалы и методика исследования. Исследования сварочно-технологических свойств при использовании переменного тока различных параметров проводили при наплавке валиков на поверхность пластины из легированной стали 15Х2МФА толщиной 20 мм.
Использовали сварочную головку A6SESAB (Швеция) с источником питания ESABAristo 1000 AC/DC, обеспечивающим возможность проведения сварки как на переменном, так и на постоянном токе. В случае использования переменного тока настройками источника задавали прямоугольную форму импульса, как показано на рис. 1.
При наплавке варьировали одну из следующих характеристик:
- частоту от 10 до 100 Гц;
- баланс от 25 до 75% (рис. 1 а);
- смещение импульса напряжения от -10 до 10 В (рис. 1 б).
500
I ® f = 50 Гц
:
- 1 1
— 1 1 баланс 75 %
1 1 баланс 50 %
J | баланс 25 %
0,01 ремя, с
30
И /= 50 Гц
- 1 1 1 |
- 1 1 1 | смещение +10 В
1 1
1 1 I смещение -10 В
0,02
0,01 Время, с
0,02
Рис. 1. Сварочные ток с измененным балансом (а) и смещенным импульсом напряжения (б)
Постоянными оставались настройки сварочного оборудования: сварочный ток 500 А, напряжение дуги 30 В и скорость сварки 42 см/мин. Диаметр электрода во всех случаях составлял 4 мм.
В процессе наплавки контролировали следующие сварочно-технологические свойства: гладкость поверхности валика, наличие дефектов в виде подрезов, пор и трещин, легкость отделения шлаковой корки. Глубину проплавления, ширину и высоту наплавленных валиков контролировали на поперечных шлифах.
При использовании нескольких вариантов параметров сварки на переменном токе, выбранных по критерию обеспечения наиболее высоких сварочно-технологических свойств, изготовлены сварные пробы. Конструктивные элементы подготовки кромок и сварного шва приведены на рис. 2.
а о
Рис. 2. Конструктивные элементы подготовки кромок (а) и сварного шва (б)
Из сварного шва отбирали образцы Шарпи на ударный изгиб тип IX ГОСТ 6996-66 в количестве по 10 шт., макрошлифы для структурных исследований и замера твердости в количестве по 1 шт., а также образцы для определения химического состава наплавленного металла.
При использовании параметров сварки, обеспечивающих наиболее высокие значения ударной вязкости, выполняли сварные пробы с применением различных сварочных материалов, используемых при изготовлении корпусов сосудов давления из углеродистой и низколегированной стали различных маток.
Сочетания основных и сварочных материалов, а также параметры послесварочной термической обработки сварных соединений приведены в табл. 1.
Таблица 1. Сочетание основных и сварочных материалов, параметры термической обработки
№ Марка стали Сварочная проволока, флюс Параметры термической обработки (окончательный отпуск)
Температура, °С Продолжительность, ч
1 15Х2НМФА Св-09ХГНМТАА-ВИ, ФЦ-16А 650 9
2 15Х2МФА Св-15ХГМТА, 48АФ-71 670 10
3 10ГН2МФА Св-10ГН1МА, ФЦ-16А 650 13
4 20, 22К Св-08ГС, 48АФ-71 - -
Из сварных соединений отбирали образцы для проведения следующих испытаний:
- испытание на растяжение металла шва при комнатной температуре;
- испытание на ударный изгиб и определение критической температуры хрупкости металла шва;
- испытание на статический загиб сварного соединения;
- определение химического состава металла шва;
- металлографические исследования.
Отбор образцов проводили по ГОСТ 6996-66. Химический состав металла шва определяли с помощью оборудования Faundry-Master, анализатора кислорода RO-400, а также анализатора углерода CS-230. Металлографические исследования проводили с помощью комплекса программно-аппаратного анализа микроструктуры поверхности твердых тел Thixomet. Определение твердости по методу Виккерса ГОСТ 2999-75 проводили с помощью твердомера DuraScan20. Образцы Шарпи испытывали на ударный изгиб при температуре -40 °C и -50 °C (по 5 образцов при каждой температуре) на маятниковом копре LabTest. Испытания на растяжение проводили на электромеханической машине HUS 2010z. Определение критической температуры хрупкости металла шва проводили по методике [6]. Фрактографические исследования проводили на обломках испытанных образцов Шарпи с помощью стереомикроскопа DiscoveryV8 с программным комплексом Thixomet.
Во всех случаях использовали оборудования исследовательского центра Филиала АО «АЭМ технологии» «Атоммаш» в г. Волгодонск.
Результаты исследований и их обсуждение. В процессе исследований сварочно-тех-нологических свойств при сварке на переменном токе (Alternating Current, АС) с различными параметрами на поверхность стальной пластины наплавили 18 валиков. Также для сравнения были наплавлены валики на постоянном токе обратной полярности (Direct Current Reversed Polarity DCRP) и прямой полярности (Direct Current Straight Polarity DCSP). Поперечные шлифы некоторых валиков приведены на рис. 3. Используемые параметры сварочного тока при наплавке валиков приведены в табл. 2. Наплавку валиков проводили с использованием агломерированного сварочного флюса марки 48АФ-71 и плавленого сварочного флюса марки ФЦ-16А.
Рис. 3. Поперечные шлифы наплавленных валиков (см. табл. 2)
Таблица 2
№ Обозначение ва- Марка Род Частота, Гц Баланс,% Смещение им-
лика флюса тока пульса, В
1 Рис. 3а 48АФ-71 АС 20 50 0
2 Рис. 3б АС 50 25 0
3 Рис. 3в АС 50 75 0
4 Рис. 3г АС 50 50 +10
5 Рис. 3д АС 50 50 -10
6 Рис. 3е БСЯР - - -
7 Рис. 3ж БСКР - - -
8 Рис. 3з АС 50 50 0
9 Рис. 3и ФЦ-16А БСКР - - -
10 Рис. 3к АС 50 50 0
Установлено следующее: при частоте тока менее 50 Гц (рис. 3 а), а также при смещении баланса тока (рис. 3 б, в) стабильное формирование валика не обеспечено. Смещение импульса переменного тока (по напряжению) как в меньшую, так и в большую сторону (рис. 3 г, д) привело к нарушению формирования наплавленного валика. При DCSP (рис. 3 е) выявлена повышенная чешуйчатость валика. Что же касается прочих сварочно-технологических характеристик, установлено, что замена DCRP на АС, за исключением вышеописанных случаев с нарушением формирования наплавленного валика, не привела к появлению подрезов, пор, трещин, какому-либо ухудшению отделимости шлаковой корки с поверхности валика.
Замена DCRP на АС, при сохранении равных характеристик силы тока, напряжения дуги и скорости сварки, привело к повышению площади сечения валика, в среднем, на 10%. При этом уменьшения глубины проплавления зафиксировано не было, что согласуется с данными работы [7]. Ширина валика также существенно не поменялась, тогда как высота валика увеличилась с 1,9-2,4 до 2,4-2,8 мм.
Результаты определения химического состава металла шва, выполненного сварочной проволокой Св-15ХГМТА под флюсами 48АФ-71 и ФЦ-16А при сварке с применением DCRP на АС частотой 50 Гц и 100 Гц приведены в табл. 3. Там же приведены нормативные значения [8] для сочетания сварочной проволоки Св-15ХГМТА и флюса 48АФ-71. Указанная сварная проба была подвержена термической обработке по режиму: 655 °С (5 ч) + 675 °С (10 ч), рекомендованному для сварных соединений стали 15Х2МФА-А.
Таблица 3. Химический состав металла шва при использовании сварочного тока различных параметров
№ варианта Содержание химических элементов,%
С Si Mn S P Cr Ni Mo O
Нормативные значения [6] <0,15 < 0,50 0,501,30 < 0,015 < 0,012 1,12,0 0,600,80 0,400,70 -
1. Флюс 48АФ-71, DCRP 0,067 0,11 1,00 0,008 0,006 1,63 0,78 0,54 0,032
2. Флюс 48АФ-71, АС (50 Гц) 0,072 0,14 0,87 0,008 0,005 1,63 0,72 0,52 0,023
3. Флюс 48АФ-71, АС (100 Гц) 0,100 0,11 0,86 0,006 0,005 1,62 0,74 0,52 0,024
4. Флюс ФЦ-16А, БСКР 0,072 0,31 0,88 0,007 0,005 1,64 0,80 0,54 0,041
5. Флюс ФЦ-16А, АС (50 Гц) 0,087 0,24 0,88 0,006 0,004 1.66 0,68 0,52 0,026
Установлено, что замена DCRP на АС существенным образом не отразилась на изменении содержания легирующих и примесных элементов в наплавленном металле. Основное различие заключается в содержании кислорода: в случае DCRP оно составляет 0,032%, тогда как в случае АС - 0,023-0,024% при использовании агломерированного флюса. При использовании плавленого флюса это различие еще более высоко: 0,041% и 0,026% соответственно.
Замена флюса 48АФ-71 на флюс ФЦ-16А привела к некоторому повышению содержания кремния в наплавленном металле. Это объясняется активизацией протекания кремнийвос-становительного процесса по реакции (1):
^Ю2) + [Fe]=(Fe2Oз) + (1)
где в круглых скобках - химическое соединение в шлаковой фазе, в квадратных - в металлической.
Указанное уменьшение содержание кислорода, по видимости, объясняется снижением интенсивности окислительно-восстановительной реакции при взаимодействии расплавленных металлической и шлаковой фаз.
Результаты определение твердости по Виккерсу приведены на рис. 4.
О Флюс 48АФ-71, DCRP □ Флюс 48АФ-71, АС (50 Гц) Флюс 48АФ-71, АС (100 Гц) жФлюс ФЦ-16Л, АС (50 Гц) х Флюс ФЦ-16А, DCRP
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
Расстояние от линии сплавления, мм Рис. 4. Распределение твердости по сечению наплавленного металла и ЗТВ
В случае использования плавленого флюса ФЦ-16А в наплавленном металле наблюдается повышение твердости до значений 263 единицы, что по-видимому, объясняется процессом дисперсионного твердения при термической обработке за счет относительно высокого содержания кремния в наплавленном металле. По зоне термического влияния каких-либо различий в значениях твердости не выявлено.
Результаты испытаний образцов Шарпи на ударный изгиб приведены на рис. 5.
3TB Металл шва
) < ) <
д > с ) < г ) с
X in 1
X л ь z i l г !k 1 L 1 L к L Ü /
% ? > L / г1 ч L J С ] В а \ С 3 k i
ш < > < > <. > < ■>
* n Щ X
H Ш
Рис. 5. Результаты испытаний на ударный изгиб при температуре -40 °С (а) и -50 °С (б) (по оси абсцисс - номер варианта параметров сварки, см. табл. 3)
Наибольшие значения ударной вязкости при температуре -40 °С были получены при использовании переменного тока как при сварке под агломерированным, так и плавленым сварочным флюсом. Это, по-видимому, объясняется повышением чистота металла по неметаллическим включениям, что подтверждается низким содержанием кислорода (табл. 3), поскольку неметаллические включения в наплавленном металле, являясь концентраторами напряжений при разрушении образца на ударный изгиб, способствуют снижению значения его ударной вязкости [9-13].
При температуре -50 °С наибольшие значения ударной вязкости наплавленного под агломерированным флюсом металла были получены при использовании DCRP, что не согласуется с данными результатов испытаний на ударный изгиб при температуре испытаний -40 °С.
Повышение частоты сварочного тока с 50 до 100 Гц не привело к повышению значений ударной вязкости наплавленного металла. При температуре испытаний -40 °С и при -50 °С значения ударной вязкости оказались ниже, чем при использовании DCRP.
Проведенный фрактографический анализ не позволил выявить какие-либо принципиальные различия в механизмах разрушения образцов Шарпи металла шва, показавших низкие значения ударной вязкости, при использовании DCRP И АС. Во всех рассмотренных случаях, в хрупкой части разрушения внутрезеренные.
Очагом разрушения являются неметаллические включения (рис. 6).
50 .дт
Рис. 6. Очаг разрушения на поверхности образца Шарпи, имеющего КСV-50=19 Дж/см2
Применение АС взамен DCRP не приводит к появлению каких-либо сегрегаций на границах зерен, способствующих снижению ударной вязкости на образцах Шарпи.
Для продолжения исследований-подтверждения характеристик металла шва требованиям нормативной документации - использовали технологические параметры переменного тока, обеспечивающие наибольшие показатели ударной вязкости наплавленного металла: сбалансированный ток частотой 50 Гц.
Изготовлены контрольные сварные соединения из низколегированных и углеродистых сталей с использованием сочетания сварочных материалов, приведенных в табл. 1.
Неразрушающий контроль выполненных сварных соединений, проведенный методами визуального осмотра, ультразвуковой, капиллярной и радиографической дефектоскопии показал соответствие требованиям нормативного документа [8] для сварных швов первой категории.
Результаты испытания металла шва на растяжение, а также определения критической температуры хрупкости приведены на рис. 7.
Рис. 7. Результаты определения механических свойств металла шва, выполненного различными сочетаниями сварочных материалов, с использованием переменного тока
При испытании образцов на статический изгиб до угла не менее чем 60 °С каких-либо дефектов не было выявлено во всех случаях.
Все полученные результаты испытаний свидетельствуют о соответствии металла шва и сварного соединения, выполненного с применением переменного тока, требованиям нормативной документации [8].
Результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать проведение автоматической сварки под флюсом на переменном токе при изготовлении оборудования АЭУ из сталей перлитного класса для следующих сочетаний сварочных материалов:
- проволока Св-09ХГНМТАА-ВИ, флюс ФЦ-16А;
- проволока Св-10ГН1МА, флюс ФЦ-16А;
- проволока Св-08ГС, флюс 48АФ-71;
- проволока Св-15ХГМТА, флюс 48АФ-71;
- проволока Св-08АА, флюс ФЦ-16А.
Выводы
1. По итогам исследования сварочно-технологических свойств при наплавке валиков методом автоматической сварки под агломерированным и плавлеными флюсами различных марок на поверхность стальной пластины установлено, что применение технологии автоматической сварки под флюсом на переменном токе обеспечивает сварочно-технологические свойства, не уступающие аналогичным при сварке на постоянном токе обратной полярности. При этом, при обеспечении прочих равных параметров сварки, применение переменного тока позволяет повысить коэффициент наплавки приблизительно на 10%.
2. Исследования характеристик наплавленного металла показали, что применение переменного тока позволяет снизить содержание кислорода в наплавленном металле, что приводит к повышению ударной вязкости, в особенности, в случае использования плавленого флюса.
3. Замена постоянного тока обратной полярности на переменный ток позволяет повысить значения ударной вязкости металла шва. Наиболее предпочтительным с точки зрения обеспечения высоких значений ударной вязкости является применение переменного тока частотой 50 Гц с балансом 50% без смещения импульса.
4. Испытания сварных проб, выполненных автоматической сваркой под флюсом различных сочетаний материалов, используемых для изготовления оборудования из сталей перлитного класса, показали полное соответствие механических свойств металла шва и сварного соединения требованиям нормативной документации, а также отсутствие каких-либо дефектов в металле шва.
5. На основании результатов выполненных исследований рекомендуется применение технологии автоматической сварки под флюсом на переменном токе
для следующих сочетаний сварочных материалов:
- проволока Св-09ХГНМТАА-ВИ, флюс ФЦ-16А;
- проволока Св-10ГН1МА, флюс ФЦ-16А;
- проволока Св-08ГС, флюс 48АФ-71;
- проволока Св-15ХГМТА, флюс 48АФ-71;
- проволока Св-08АА, флюс ФЦ-16А.
Литература
1. Z. Baba, N. Nagashima, M. Nakanishi et al. Four-wire submerged arc welding process with DCEP-AC power combination for production of high toughness line pipe // Transactions ISIJ. -1986. - Vol. 26. - P. 373-378.
2. Кархин В. А., Жарков С. В., Степанов П. П. Влияние формы переменного сварочного тока на эффективность плавления электродной проволоки при многодуговой сварке под флюсом // Сварка и диагностика. - 2020. № 3. С. 21 - 24.
3. Коберник Н. В., Чернышов Г. Г., Гвоздев П. П., Линник А. А. Влияние рода и полярности тока на плавление электродного и основного металла при сварке под флюсом // Сварка и диагностика. - 2011. № 5. С. 24-27.
4. Тимофеев М. Н., Галяткин С. Н. Особенности применения переменного тока при автоматической сварке под флюсом оборудования АЭУ из теплоустойчивых сталей // Сварочное производство. - 2019. № 8. С. 22-28.
5. Шубин О. В., Филинков А. О., Жидков М. Е., Тимофеев М. Н. Исследование свойств металла сварных швов оборудования АЭУ сталей перлитного класса, выполненных автоматической сваркой под флюсом на переменном токе // Тяжелое машиностроение. - 2023. № 11-12. С. 9 - 16.
6. ПНАЭГ-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М.: Энергоатомиздат, 1989.
7. Сидоров В. П. Влияние рода и полярности тока на плавление электродного и основного металла при сварке под флюсом // Сварка и диагностика. - 2013. № 3. С. 20-23.
8. НП-105-18. Правила контроля металла оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок при изготовлении и монтаже: Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. М.: Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору, 2018.
9. Polar A., Indacochea J. E., Blander M. Electrochemically generated oxygen contamination in submerged arc welding // Welding research supplement. 1990. Feb. P. 68-74.
10. Li H. G., Wu C. F., Zhao D., Zheng S. B., Zhai Q. J. Thermodynamic analysis of ultraline Ti oxide inclusion precipitation during steels solidification // Shanghai Metal. 2011. V. 33, iss. 2. Р. 36-39.
11. Xia W. Y., Wang Y. C., Wang M. L., Qiu S. T. Behavior of oxide precipitation in solidification process for aluminium-titanium deoxidized steels // Journal of Iron and Steel Research. 2011. V. 23, iss. 8. Р. 11-15.
12. Zhuo X. J., Wang X. H., Wang W. J., Lee H. G. Thermodynamic calculations and MnS solubility of Mn-Ti oxide formation in Si-Mn-Ti deoxidized steel // Journal of Iron and Steel Research. 2010. V. 17, iss. 2. Р. 10-17.
13. Носов С. И., Старченко Е. Г., Пронин В. П. Неметаллические включения в сварных соединениях корпусных C-Mn-Ni-Mo-V-сталей для сосудов высокого давления // Тяжелое машиностроение. 2010. № 9. С. 23-26.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-138-142
СТРУКТУРНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ МЕТАЛЛА ТРУБ КАК ПРИЧИНА ПОТЕРИ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО В УСЛОВИЯХ АРКТИЧЕСКОГО КЛИМАТА
Ялыгин С.А.1, Шапошников Н.О.2, Слепцов О.И.3, Ермаков Б.С.2, Швецов О.В. 2
1 ООО «НТЦ ГАЗПРОМНЕТЬ», Санкт-Петербург 2 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск 3 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург
Тенденция переноса добывающих производств в Арктическую и Субарктическую зону РФ, рост аварийности трубопроводных систем и строительных конструкций в условиях экстремально низких климатических температур потребовало разработать новый подход к оценке качества сварных труб различного назначения, использующихся как в системах добычи и транспортировки продуктов, например нефти и газа, так и при обустройстве месторождений. В работе выполнен анализ и показано, что повышенный уровень структурной неоднородности металла труб, не оказывающий существенного влияния при их эксплуатации в зоне умеренных широт является критически важным фактором при прогнозе работоспособности трубопроводных систем и строительных конструкций в регионах с низкими климатическими температурами.
В настоящее время одной из мировых тенденций в промышленности является нарастание потребления таких энергоносителей, как нефть и газ, а соответственно отмечается развитие транспортных систем их доставки, что приводит к росту мощностей сопутствующих производств, в частности производства стали, проката и труб. Нефтегазовая индустрия является основой мировой экономики и по-прежнему остается высокотехнологичной и наукоемкой отраслью промышленности, однако, на сегодняшний день большинство «классических» месторождений истощены и нефтегазовым компаниям приходится переходить к освоению новых месторождений, расположенных в труднодоступных северных регионах. В большей степени такие месторождения размещены на территории Крайнего Севера и акваториях Арктического шельфа. Выявленные и потенциальные запасы углеводородного сырья в российском секторе сосредоточены
