CC BY
48УДК 621.791:629.5.083.5
В.Ф. Игушев, В.И. Веревкин, И.В. Безсмолова, Е.М. Зеброва
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Калининград, 236035 e-mail: igushev_tmm@bga.gazinter.net
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФЛЮСОВ ПРИ СВАРКЕ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Рассмотрены технологические аспекты использования различных флюсов при автоматической сварке судостроительных сталей. Показано, что при сварке под смесью флюсов окислительного АН-348А и слабоокислительного АН-67Б уменьшается содержание кислорода в сварных швах и соответственно снижается загрязненность сварных швов неметаллическими включениями. При этом увеличиваются механические свойства и повышается коррозионная стойкость сварных соединений.
Ключевые слова: автоматическая дуговая сварка, сварочный флюс, неметаллические включения, механические свойства, коррозионная стойкость.
V.F. Igushev, V.I. Verevkin, I.V. Bezsmolova, E.M. Zybrova
Baltic State Academy of Fisheries Fleet,
Kaliningrad, 236035 e-mail: igushev_tmm@bga.gazinter.net
TECHNOLOGICAL ASPECTS OF VARIOUS FLUXES USE AT SHIPBUILDING STEEL WELDING
Technological aspects of various fluxes use in automatic welding of shipbuilding steels are considered. It is shown that the content of oxygen in welds decreases when flux mixture of oxidizing AN-348A and weakly oxidizing AN-67B is used in welding. Accordingly, the contamination of welds with nonmetallic inclusions decreases. Herewith the mechanical properties and the corrosion resistance of welds increase.
Key words: automatic arc welding, welding flux, non-metallic inclusions, mechanical properties, corrosion resistance.
Морские суда работают в тяжелых условиях. Для строительства судов применяются в основном низколегированные стали, к которым предъявляются повышенные требования по пределу текучести и механической прочности. Сварные соединения на судах должны быть равнопрочными с основным металлом и стойкими к электрохимической коррозии.
В табл. 1 приведены составы некоторых судостроительных сталей, составы которых были взяты из сертификатов качества судостроительного завода «Янтарь».
Таблица 1
Химический состав судостроительных сталей
№ Марка Химический состав стали, %
п/п стали Si Cr Ni Cu Mn C Mo Ti Al V
1 D40S 0,95 0,89 0,52 0,43 0,79 0,14 - 0,07 0,03 0,04
3 E36 0,21 0,04 0,03 0,06 0,98 0,09 0,02 0,03 0,34 0,22
4 E32 0,20 0,03 0,03 0,02 1,21 0,15 <0,01 <0,05 0,33 <0,05
5 A36 0,24 0,04 0,02 0,04 0,91 0,09 0,02 0,03 0,29 0,26
Анализ составов судостроительных сталей показывает, что в судостроении применяются в основном кремнемарганцовистые низколегированные стали. Эти стали обладают удовлетворительной свариваемостью, достаточно большим пределом текучести, малой склонностью к хрупкому разрушению, что обеспечивает надежную работу сварных конструкций в течение длительного времени. Указанные преимущества, а также высокая стойкость к переменным циклическим
нагрузкам способствуют тому, что стали этого класса находят все большее применение для изготовления сварных конструкций в судостроении.
Для выполнения требования равнопрочности сварного шва с основным металлом необходимо подобрать соответствующие сварочные материалы и разработать технологию сварки. Следует обратить внимание, что в судостроении стали выбираются по пределу текучести в отличие от машиностроения, где основной характеристикой является предел прочности металла на разрыв.
Остановимся более подробно на стали Б408, которая имеет наиболее высокие механические свойства, в частности предел текучести ст > 390 МПа и применяется для изготовления борта судна.
Сталь Б408 в условиях поставки имеет ферритно-перлитную структуру, хорошо сваривается и в процессе автоматической дуговой сварки под флюсом, как правило, не закаливается и имеет ферритно-перлитную структуру в зоне термического влияния. Марганец в низкоуглеродистых низколегированных сталях перлитного класса в пределах 0,8-1,2% при пониженном содержании углерода дает повышение содержание предела текучести до 390 МПа [1], что очень важно для судостроительных сталей. Содержание кремния в этих сталях ограничивается 0,9%, причиной этого является низкая ударная вязкость кремнийсодержащих сталей и низкая коррозионная стойкость с повышением содержания кремния [2, 3]. Никель в стали Б408 положительно влияет на пластичность и повышает коррозионную стойкость судостроительной стали.
При автоматической дуговой сварке под флюсом низколегированных кремнемарганцови-стых сталей часто используется низколегированная проволока Св-08ГА, с пониженным содержанием углерода и повышенным содержанием марганца, что положительно сказывается на пластичности металла сварного шва.
Механические свойства и коррозионная стойкость металла шва зависят не только от состава металла, но и от содержания газов и неметаллических включений в шве. При автоматической дуговой сварке под флюсом основным поставщиком кислорода и неметаллических включений в сварной шов является флюс [4, 5].
Рассмотрим более подробно выбор флюса и влияние его на свойства металла шва. В судостроении в основном применяются плавленые флюсы, которые состоят из окислов различных металлов. Эти флюсы за счет окислительно-восстановительных процессов способствуют легированию металла, раскислению, рафинированию металла шва и удалению водорода из металла. За счет вышеперечисленных процессов происходит увеличение кислорода и неметаллических включений в швах. Это связано с краткосрочностью процесса сварки, и неметаллические включения не успевают удаляться из металла шва в процессе кристаллизации.
Флюсы, предназначенные для сварки низколегированных сталей, должны обеспечивать легкую отделимость шлаковой корки, высокое качество формирования шва и высокие механические свойства. Для выполнения этих требований во флюсе обычно снижают содержание окислов кремния. Поэтому при сварке низколегированных сталей желательно применять низкокремнистые флюсы.
Флюсы с пониженным содержанием окислов кремния и марганца широко применяются для сварки средне- и высоколегированных сталей, содержат окислы алюминия и фтористые соединения для удаления водорода из металла. Эти флюсы образуют шлаковую корку, плохо удаляемую с поверхности металла.
Если в зоне сварки созданы окислительные условия, в ней происходят другие процессы, а именно: снижаются концентрации растворенных в жидком металле водорода и углерода, что повышает стойкость швов против образования пор и трещин, обеспечивается более благоприятное распределение серы и фосфора между металлом и сварочным шлаком. Флюсы с повышенным содержанием окислов кремния и марганца в процессе сварки дополнительно легируют сварной шов кремнием и марганцем, образуют шлаковую корку, легко отделяемую от поверхности металла.
Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод: большинство сварочных флюсов, предназначенных для сварки низколегированных сталей, должны иметь окислительный характер. Но иногда для сварки низколегированных сталей применяют низкокремнистые слабоокислительные флюсы, к которым относятся такие, как АН-47 и АН-65, АН-67Б [4, 5]. В этих флюсах окислы кремния заменены на окислы алюминия. Однако в отношении качества формирования швов их стойкости против образования пор и некоторых других характеристик низкокремнистые слабоокислительные флюсы уступают высококремнистым. В связи с этим в последнее время по-
лучили существенное развитие исследования, направленные на снижение вредного влияния большого содержания окислов кремния во флюсе на свойства металла шва.
Для решения задачи сочетания хороших сварочных-технологических свойств флюса с высокими механическими свойствами сварного соединения и повышенной коррозионной стойкостью сварного соединения в работе была предпринята попытка уменьшить содержание неметаллических включений в сварных швах.
Кислород в металл шва при автоматической сварке под флюсом попадает за счет кремний-восстановительного процесса при сварке под окислительными флюсами. Снизить интенсивность протекания кремнийвосстановительного процесса при сварке стали под флюсом с достаточно высоким содержанием Б1О2 можно несколькими путями [4, 5]: снижением термодинамической активности Б1О2 путем введения в состав флюса большого количества СаО, введением во флюс окислов железа, тормозящих прохождение кремнийвосстановительного процесса, применением сварочной проволоки с большим содержанием кремния. При этом снижается содержание неметаллических включений в швах. Анализ полученных данных говорит о возможном создании плавленых флюсов с относительно высоким содержанием кремнезема, обладающих высокими сварочными-технологическими свойствами и дающих возможность получить сварные швы с низким содержанием неметаллических включений.
Исследования показывают, что оптимальное содержание кислорода в металле шва составляет 0,02-0,035%, что в переводе на неметаллические включения будет составлять примерно 0,045-0,065%. Учитывая вышеизложенное, в работе были проведены исследования и оценена возможность использования известных флюсов и их смесей со сварочной проволокой Св-08ГА, которая широко используется для сварки судостроительных сталей. Сварочная проволока содержит: С < 0,1%, < 0,06%, Мп - 0,8-1,1%, N1 < 0,25%, Сг < 0,1%.
Для сварки низколегированных сталей широко применяются окислительные флюсы марок АН-348А, АН-67Б, АН-60 и АН-47 (ГОСТ 9087-81, ГОСТ Р 52222-2004) [4, 5]. Химический состав флюсов приведен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав флюсов
Марка флюса Содержание основных компонентов, %
бЮ2 МпО MgO СаО СаР2 ТЮ2 + 7гО2 Л12О3 Ре2О3 Б Р
АН-348А 41-44 34-38 5-7,5 <6,5 4-5,5 - <4,5 <2 <0,15 <0,12
АН-67Б 15,5 15,7 - 7,0 14,0 5,5 38,5 0,5 <0,09 <0,1
АН-60 42,5-46,5 37-41 0,5-3 3-11 5-8 - <5 <0,9 <0,09 <0,1
АН-47 28-32 14-18 6,5-10,5 13-17 9-13 6-8 9-13 <2 <0,05 <0,05
При разработке технологии сварки были изучены возможность использования вышеперечисленных флюсов для сварки образцов судостроительной стали Б40Б, их влияние на свойства металла шва и содержание неметаллических включений.
В первой серии опытов определяли влияние флюса на формирование шва, форму шва и содержание неметаллических включений в сварных швах.
Образцы из стали Б40Б собирали без зазора и без разделки кромок, сваривали автоматическим способом проволокой Св-08ГА под флюсами АН-348А, АН-67Б, АН-60, АН-47. Исследование данных образцов показало, формирование швов при сварке под флюсами АН-348А, АН-60 хорошее, с плавным переходом к основному металлу. Образец, сваренный под флюсами АН-67Б и АН-47, имел неудовлетворительное формирование, что связано с пониженным содержанием окислов кремния во флюсе. Швы, полученные при сварке под пемзовидным флюсом АН-67Б, имели несколько меньшее проплавление по сравнению со швом, полученным при сварке под стекловидным флюсом АН-348А. Наибольшее количество неметаллических включений было в швах, сваренных под флюсами АН-348А иАН-60.
Для дальнейших исследований были выбраны флюсы марок АН-348А и АН-67Б. В качестве основного был выбран стекловидный флюс АН-348А. Он широко применяется для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. При сварке под этим флюсом формирование шва хорошее, склонность металла шва к образованию пор и трещин низкая [4, 5]. Данный флюс имеет следующие недостатки: в связи с повышенным содержанием окислов кремния и марганца при сварке под этим флюсом интенсивно протекают кремне- и марганцевосстановительные процессы, что приводит к повышенному содержанию кислорода в швах до 0,06% (для однопроходных).
Наличие в металле шва повышенного количества кислорода приводит к образованию неметаллических включений и снижению коррозионной стойкости, механических свойств.
Для снижения кремне- и марганцевосстановительных процессов при сварке под флюсом в настоящей работе сварка образцов из низколегированной стали D40S проводилась проволокой Св-08ГА под смесью флюсов. В качестве второго компонента для флюса АН-348А использовался флюс АН-67Б.
Флюс АН-67Б пемзовидый имеет пониженное содержание окислов кремния и марганца. При сварке под этим флюсом шов получается широким с небольшим проплавлением. Кремне-и марганцевосстановительные процессы протекают слабо, в шве малое содержание кислорода и неметаллических включений. Этот флюс рекомендуется применять в тех случаях, когда требуется высокая ударная вязкость металла шва при низких температурах. Применение его ограничено из-за неудовлетворительного формирования шва.
Образцы из стали D40S, толщиной 16 мм собирали без зазора и без разделки кромок, сваривали автоматическим способом проволокой Св-08ГА под флюсом АН-348А и смесью флюсов АН-348А и АН-67Б.
Микроструктуру изучали на поперечном шлифе, после травления металла в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Исследование проводилось с помощью металлографического микроскопа при различных увеличениях.
Структура основного металла состоит из мелких зерен феррита и пластинчатого перлита (балл зерна по ГОСТ 5639-82 не менее 10). Загрязненность неметаллическими включениями не более 1 балла по шкале (ГОСТ 1778-70).
Эксперименты показали, что оптимальной композицией сварочных материалов при сварке стыковых швов является проволока Св-08ГА под смесью флюсов АН-348А и АН-67Б при соотношении 1 : 1. При сварке данной проволокой металл шва имеет высокие механические свойства без структур закалки. Добавка флюса АН-67Б снижает скорость протекания окислительно-восстановительных процессов, способствует уменьшению кислорода в шве и позволяет повысить ударную вязкость металла шва. Структура металла шва ферритно-перлитная представлена на рисунке.
Микроструктура сварного шва, выполненного проволокой Св-08ГА, х 500
Концентрация общего кислорода в металле шва составила 0,053% в образцах, полученных при сварке под флюсом АН-348А, при этом 0,043% кислорода было связано в силикатах и 0,010% кислорода в алюминатах.
Для сравнения были взяты образцы металла шва, полученного при сварке под смесью флюсов АН-348А + АН-67Б в соотношении 1 : 1. При таком соотношении флюсов в смеси получалось лучшее формирование сварных швов. Содержание общего кислорода составило 0,035%, из которого 0,021% связано в силикатах, и 0,014% связано в алюминаты. Наряду с уменьшением общего содержания кислорода в металле произошло его перераспределение. Количество кислорода в силикатных включениях уменьшилось при одновременном небольшом увеличении кислорода в алюминатах. Оксиды алюминия, по-видимому, перешли из флюса АН-67Б в металл,
они имеют меньший размер по сравнению с силикатами, равномерно распределены по металлу и оказывают меньшее влияние на механические свойства металла шва.
При рассмотренной схеме сварки стыковых швов образцов получаемый шов состоит в основном из металла, полученного переплавлением основного металла Б40Б и электродного металла Св-08ГА. Механические свойства сварных соединений и швов определяли при температуре 20°С. Для проведения механических испытаний изготавливали стандартные образцы (ГОСТ 6996-66). Механические свойства сварного шва превышали требуемые (табл. 3).
Таблица 3
Механические свойства металла шва, выполненного под разными флюсами
Объект Механические свойства
Сварной шов; сварка под флюсом Временное сопротивление разрыву, МПа Предел текучести, МПа
АН-348А 535 396
530 - 543 390 - 410
АН-348А+АН-67Б в соотношении 1 : 1 545 413
536 - 552 405 - 420
Примечание. В числителе приведены средние значения механических свойств, полученные по результатам шести испытаний, в знаменателе - минимальные и максимальные.
В работе определили склонность металла шва к коррозии косвенным методом, предложенным в работе [3]. Как показали более ранние исследования, электрический потенциал стали в большей степени зависит от состава металла. Содержание кремния в сталях оказывает наибольшее влияние на электрический потенциал стали [2, 3]. В данной работе сварные швы, полученные при сварке под флюсом разного состава, имели примерно одинаковый химический состав, имелась разница только по содержанию неметаллических включений. Основной металл D40Sc содержанием кремния 0,90-0,95% при разности температур At = 20°C между внутренней и внешней обшивкой судна имел разность потенциалов 20-22мкВ. Сварные швы, полученные сваркой проволокой Св-08ГА под флюсами АН-348А и смесью флюсов АН-348А+АН-67Б, имели содержание кремния 0,70-0,75%. Разница потенциалов между сварным швом и основным металлом составляла 15 мкВ при сварке под флюсом АН-348А и 12 мкВ соответственно при сварке под смесью флюсовАН-348А+АН-67Б. Разница электрических потенциалов основного металла и сварного шва меньшая в случае шва с меньшим содержанием неметаллических включений, что должно способствовать повышению коррозионной стойкости.
Вывод. Установлено, что использование смеси окислительного и слабоокислительного флюсов АН-348А+АН-67Б в соотношении 1 : 1 способствовало уменьшению содержания неметаллических включений в шве. При сварке под смесью флюсов можно получать сварные швы с повышенными значениями механических свойств и повышенной коррозионной стойкости.
Литература
1. Грабин В.Ф. Металловедение сварки плавлением. - Киев: Наукова думка, 1982. - 416 с.
2. Веревкин В.И., Игушев В.Ф., Терюшева С.А. Влияние содержания кремния и деформации сварных узлов из судостроительных сталей на их склонность к электрохимической коррозии // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. - Т. 1, № 3(37). - С. 56-61.
3. Веревкин В.И., Игушев В.Ф., Терюшева С.А. Повышение стойкости к коррозии судовых металлоконструкций // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. - Т. 2, № 4 (38). - С. 69-75.
4. Подгаецкий В.В., Люборец И.И. Сварочные флюсы. - Киев: Техника, 1984. - 167 с.
5. Потапов Н.Н. Основы выбора сварочных флюсов при сварке сталей. - М.: Машиностроение, 1989. - 168 с.
