CC BY
13УДК 621.791
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СВАРНЫХ ВАЛИКОВ, СФОРМИРОВАННЫХ В ПОДВОДНОМ СОСТОЯНИИ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ
T. HASSEL, Dr.-Ing.,
Я.С. ЛИЗУНКОВА, научный сотрудник, F.-W. BACH, Prof., Dr.-Ing. habil.,
(Institute of Materials Science of the Leibniz University Hanover), A.A. БАТАЕВ, доктор техн. наук, профессор A.A. НИКУЛИНА, канд. техн. наук, доцент, А.М. ТЕПЛЫХ, аспирант, (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 10 февраля 2011 г.
Никулина А.А. - 630092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: _aelita27@mail.ru
В связи с интенсивным освоением морского пространства, добычей газа и нефти со дна океана, строительством и ремонтом ветросиловых установок в прибрежной зоне целесообразна разработка высококачественных технологий подводной сварки и резки. Одно из актуальных направлений исследований связано с автоматической подводной сваркой с применением порошковой проволоки. В статье рассмотрена возможность адаптации порошковой проволоки к автоматическому подводному роботу, описана конструкция самозащитной порошковой проволоки, ее состав, а также приведены результаты структурных исследований швов, полученных с использованием порошковой проволоки, разработанной в Институте материаловедения университета Ганновера.
Ключевые слова: структура, порошковая проволока, подводная сварка
ВВЕДЕНИЕ
Добыча нефти и газа со дна океана широко распространена во многих странах. Транспортировка добытых полезных ископаемых к местам их потребления осуществляется по подводным трубопроводам, которые тянутся на сотни километров по дну океана. Множество судов и кораблей строятся и эксплуатируются во всем мире. Если ремонт судов невозможен в сухих доках, то они ремонтируются непосредственно на плаву в подводных условиях. Каждый год увеличивается количество вводимых в эксплуатацию ветросиловых установок в морской и прибрежной зоне. В связи с этим остро стоит проблема разработки высококачественных технологий подводной сварки и резки для ремонта и обслуживания различного рода конструкций.
На сегодняшний день существует два основных способа подводной сварки: сварка в сухих доках и мокрая сварка. Метод сухой сварки основан на использовании специально разработанных камер различной конструкции. При этом сварка происходит без контакта свариваемого изделия с водой. Сварка в сухой камере обеспечивает высокое качество сварных соединений, однако изготовление
камеры и ее монтаж чрезвычайно длительны и затратны [1].
При мокрой сварке сварщик и свариваемый объект находятся непосредственно в водной среде. Подводная сварка этого типа основана на способности дуги устойчиво гореть в газовом пузыре, образующемся в воде при ее испарении и разложении теплом дуги, а также за счет паров и газов, выделяющихся при расплавлении металла и покрытия электродов. Технологический процесс происходит без каких-либо дополнительных сооружений и устройств. Благодаря этому сварщик имеет большую свободу перемещений, что делает мокрую сварку наиболее эффективной и самой экономичной из существующих способов сварки под водой, в первую очередь, при восстановлении металлоконструкций с развитой поверхностью на небольшой глубине [1].
Мокрая ручная сварка покрытыми электродами в настоящее время является основным технологическим процессом, используемым для восстановления и создания большинства подводных металлоконструкций. Несмотря на широкое распространение этого метода, он имеет ряд недостатков, ограничи-
вающих его применение (тяжелые условия работы водолаза-сварщика, низкая производительность процесса, ограничение по глубине - мокрый способ сварки подходит для глубины, доступной для человека в скафандре (до 100 м)). Наиболее перспективный путь увеличения производительности подводной сварки и распространения области ее применения - механизация и автоматизация процесса с максимальным сокращением времени пребывания человека под водой. Применение полуавтоматов сможет повысить производительность труда, а также сократить время пребывания сварщика под водой в 5 - 10 раз [2].
Способ мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками сочетает в себе положительные качества ручной дуговой сварки штучными электродами (маневренность и универсальность дугового процесса) с преимуществами механизированных способов сварки (высокая производительность, удобство работы и др.) [3]. Порошковая проволока представляет собой непрерывный электрод, состоящий из металлической оболочки и порошкового сердечника (рис. 1). Сердечник содержит смесь минералов, руд, ферросплавов и выполняет те же функции, что и покрытия обычных сварочных электродов: стабилизацию дугового разряда, защиту металла от окружающей среды, раскисление и легирование металла шва и др. [4].
Рис. 1. Схема самозащитной порошковой проволоки
Несмотря на явные преимущества порошковой проволоки, подводная сварка с ее применением имеет ряд технологических и металлургических проблем. К ним относятся:
- высокая скорость охлаждения (как результат -высокие внутренние напряжения и трещины);
- повышенное содержание водорода в сварном шве (повышенная пористость и снижение механических свойств);
- возможность высыпания порошка из проволоки;
- проникновение воды в сердечник проволоки;
- равномерность заполнения проволоки.
В настоящее время проблема получения качественной порошковой проволоки стоит особо остро, поскольку именно свойства проволоки оказывают существенное влияние на качество сварных соединений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Самозащитная проволока, применяемая для подводной сварки низкоуглеродистой стали, разрабатывается и изготавливается в Институте материаловедения университета им. Лейбница г. Ганновера (Германия). В качестве наиболее эффективной была выбрана двухслойная конструкция проволоки (рис. 2). Она позволяет разделить сварочный порошок по его назначению: металлический порошок и легирующие элементы находятся во внутренней камере, а шлако- и газообразующие элементы - во внешней камере (рис. 3). Такая конструкция обеспечивает более равномерное оплавление сердечника и эффективную защиту металла от окисления [4].
Рис. 2. Возможные конструкции оболочек порошковой проволоки [4]
Рис. 3. Сечение двухслойной порошковой проволоки [5]
Состав проволоки
Внешняя камера Внутренняя камера
Компонент Масса, % Компонент Масса, % * Масса, % **
Рутил 45 Железо 30 5
Магнетит 5 Ферромарганец 20 40
Доломит 30 Ферросилиций 15 15
Каолин 10 Рутил 20 20
Кварц 10 Гексафлюорсиликат 10 10
Никель 5 10
* - исходный состав;
** - состав порошка, предложенный на основании проведенных исследований.
Сварочный порошок, используемый для производства порошковой проволоки, представляет собой смесь порошков определенного гранулометрического состава (минералов, руд, ферросплавов и других металлических порошков) [4]. На основании литературного обзора и исследований, проведенных ранее в Институте материаловедения, предварительно был предложен состав проволоки (см. таблицу).
Порошковая проволока для подводной сварки производится на установке, представляющей собой прокатный стан с четырьмя клетями (рис. 4). Стальная лента (сталь 20 с размерами 24х0,4 мм) поступает из бобины в первую клеть, где происходит формирование и-образного профиля. Затем профиль заполняется смесью из шлако- и газообразующих компонентов и закрывается во второй клети (формируется внешняя камера). Далее формируется внутренняя камера, которая заполняется смесью из металлического порошка и легирующих элементов. Для уплотнения порошка готовая проволока протягивается через фильеры до получения конечного диаметра 2,8 мм. Коэффициент вытяжки при этом не превышает значения 1,3.
Для автоматизированной подводной сварки в институте материаловедения был изготовлен сварочный автомат на базе машины для плазменной резки «Bach - Apolda MultiCut». Созданный автомат позволяет определить оптимальные режимы сварки с использованием разрабатываемой проволоки и предназначен для сварочных работ под водой на глубине до 250 м.
Основными объектами структурных исследований являлись образцы проволоки, наплавленные на стальную подложку. Наплавка была использована как модельный процесс для анализа качества разработанной проволоки. Для сравнения было выбрано два режима - под водой и на воздухе. Металлографические исследования полученных наплавок проводили на микроскопе Axioplan 2. Измерение микротвердости осуществляли на микротвердомере Виккерса «Struers Duramin» при нагрузке 0,5 Н. Структурные и дюрометрические исследования выполнены совместно с сотрудниками Новосибирского государственного технического университета.
Рис. 4. Схема волочильного станка, используемого для производства порошковой проволоки [5]
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Внешний вид наплавленных валиков представлен на рис. 5. В обоих случаях отсутствуют видимые поверхностные дефекты. На рис. 6, а показана струк-
Рис. 5. Общий вид наплавленных валиков:
а - наплавка на воздухе; б - подводная наплавка
тура наплавленного на воздухе валика (в поперечном сечении). Следует отметить, что в данном сечении были обнаружены поры. Анализируя снимок, можно выделить четыре основные зоны: 1 - наплавленный валик; 2 - зона термического влияния (ЗТВ), прилегающая к наплавке; 3 - ЗТВ, расположенная у основного металла; 4 - основной металл. Изменение структуры при этом происходит плавно. Отмеченные зоны в случае наплавки под водой также присутствуют, однако их размеры значительно меньше за счет более высокой скорости охлаждения (рис. 6, б). На рис. 7 и 8 представлены структуры основных зон наплавок, сформированных на воздухе и под водой соответственно. Для первой зоны характерно наличие двух типов структуры. Верхняя область наплавки
состоит из полиэдрического феррита с глобулярными выделениями цементита. По границам бывших аустенитных зерен расположен видманштеттов феррит (рис. 7, а и 8, а). Нижняя часть имеет явно выраженное дендритное строение (рис. 7, б) с крупными пластинами видманштеттова феррита, промежутки между которыми заняты феррито-карбидной смесью. Для наплавки, выполненной под водой, характерно бейнитно-ферритное строение первой зоны (рис. 8, б).
Зона термического влияния, непосредственно прилегающая к зоне наплавки, в первом случае представляет собой перлит с грубыми пластинами видманштеттова феррита по границам (рис. 7, в). При наплавке под водой видманштеттова структура является более дисперсной. Кроме этого образуется бейнит (рис. 8, в). В обоих случаях в зоне, примыкающей к наплавке, размер зерна значительно больше, чем в основном металле. Это обусловлено нагревом металла до температуры, близкой к линии солидуса, т. е. перегревом. При удалении в глубь от зоны наплавки размер бывших аустенитных зерен уменьшается (рис. 8, г).
Участок полной перекристаллизации, переходящий в участок неполной перекристаллизации, также относится к зоне термического влияния. В указанных областях видманштеттов феррит отсутствует. Участок полной перекристаллизации представляет собой мелкую феррито-перлитную структуру. Для участка неполной перекристаллизации характерно наличие крупных ферритных зерен, окруженных мелкими построениями псевдоперлитного типа (рис. 7, г, 8, д). Ниже этих зон располагается основной металл, не претерпевший изменений в процессе сварки (рис. 8, е).
а
Рис. 6. Общий вид поперечного сечения валиков, наплавленных на воздухе (а) и в воде (б)
в г
Рис. 7. Структура основных зон, сформированных при наплавке порошковой проволоки на воздухе:
а - зона наплавки; б - зона термического влияния, прилегающая к наплавленному валику; в - видманштеттов феррит в зоне термического влияния; г - участок неполной перекристаллизации
а б
Рис. 8. Структура основных зон, формируемых при наплавке порошковой проволоки под водой: а - верхняя зона наплавленного валика; б - нижняя зона наплавленного валика; в - зона термического влияния со стороны валика; г - зона термического влияния, удаленная от валика; д - участок неполной перекристаллизации; е - основной металл
(см. также с. 36)
обработка металлов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
д
Рис. 8.
Дюрометрические исследования показали, что в обоих случаях микротвердость наплавленного слоя не превышает 270...300 НУ (рис. 9), что свидетельствует о получении достаточно надежного сварного валика.
е
Окончание
На основании проведенных исследований можно сделать следующее заключение. Как на воздухе, так и под водой наплавка приводит к формированию характерных зон с плавно изменяющейся структурой. При этом ширина зоны термического влияния
НУ
Расстояние от поверхности, мкм Расстояние от поверхности, мкм
а б
Рис. 9. Микротвердость наплавленного валика в поперечном сечении на воздухе (а) и под водой (б)
при наплавке под водой значительно меньше. В обоих случаях в наплавленном валике формируется неблагоприятная структура видманштеттова типа. Полученные результаты позволили оптимизировать состав разрабатываемой порошковой проволоки. Дюрометрические исследования показали, что в зоне наплавки уровень микротвердости не превышает 270.300 НУ, что свидетельствует о достаточно высокой надежности полученного на основе разработанной проволоки соединения наплавленного слоя и подложки.
Список литературы
1. Кононенко В.Я. Применение мокрой автоматизированной сварки при ремонте корпусов и судов на плаву / В.Я. Кононенко, П.М. Грицай, В.И. Семенкин // Автоматическая сварка. - 1994. - №12. - С. 35-38.
2. Электросварка под водой - http://websvarka.ru/ weld-62.html.
3. Кононенко В.Я. Опыт мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками при ремонте под водой газо- и нефтепроводов» / В.Я. Кононенко, А.Г. Рыбченков //Автоматическая сварка. - 1994. -№ 9-10.- С. 29-32.
4. Походня И. К. Сварка порошковой проволокой / И.К. Походня, А.М. Суптель, В.И. Шлепаков. - Киев: Наукова думка, 1972. - 342 с.
5. Hamkens J. H. «Underwater wet welding with self-protecting filler wire» // J.H. Hamkens / PhD Thesis, Institute of Materials Science of Leibniz Universität Hannover. -Dusseldorf, 1992. - 130 с.
STRUCTURE AND PROPERTIES OF BEADED WELDS CREATED UNDER WATER BY POWDER WIRE
T. Hassel, Y. Lizunkova, F.-W. Bach, A. Bataev, A. Nikulina, A. Teplih
In connection with the intensive development of offshore industry and the interrelated expansion of underwater technology (oil and gas production from the ocean bed, construction of offshore wind parks etc.) problems of high-quality welding and cutting technology gain special significance. The Institute of Materials Science of the Leibniz University Hanover has been working in the field of underwater technology for many years. Great experience in the development of welding material, welding and cutting technology especially for the maritime area has been achieved. The results of metallographic and microhardness research of build-up welding at air and under water are presented.
Key words: structure, powder wire, underwater welding.
