Усовершенствование технолоеии подводной мокрой сварки покрытыми электродами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10

УДК 621.791.757204/.

Устинов A.B. \ Чигарев В.В.2

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДВОДНОЙ МОКРОЙ СВАРКИ

ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Исследованы способы улучшения свойств металла зоны термического влияния и формирования металла шва. Предложены сварочные материалы и показаны условия, при которых снижается скорость охлаждения металла, повышаются пластические свойства сварных соединений из низколегированных сталей при сохранении оперативных преимуществ подводной мокрой сварки.

Возможность производить сварку в труднодоступных местах и различных пространственных положениях при минимальных затратах на водолазное обеспечение и снаряжение подогревает постоянный интерес к подводной мокрой сварке покрытыми электродами. Однако высокое содержание водорода и большие скорости охлаждения снижают пластические свойства сварных соединений и вызывают холодные трещины на низколегированных сталях [1]. Для улучшения качества подводной мокрой сварки можно снижать скорость охлаждения путем увеличения погонной энергии процесса и снижения теплоотдачи в воду поверхностей нагретых частей сварного соединения [2, 3]. Отработка этого направления выполнялась на лабораторной установке для подводной мокрой сварки покрытыми электродами [4].

Было установлено, что путем увеличения погонной энергии на стали 09Г2 толщиной 16 мм при сварке электродами диаметром 4 мм можно уменьшить скорость охлаждения металла зоны термического влияния (ЗТВ) в интервале температур 800..500 °С (Wg.s) со 1Ю°С/с до 41 °С/с. Анализ уравнения регрессии, описывающего связь параметров режима сварки с Ws-j, показал, что наиболее значительно на нее влияет скорость сварки и сварочный ток. Все изменения режима, увеличивающие погонную энергию сварки, снижают WVs. Однако уменьшать скорость сварки не целесообразно из-за чрезмерного увеличения массы наплавленного металла и снижения производительности сварочных работ. Повышение силы тока более 200 А может вызвать подрезы даже при наложении валиков в нижнем положении, если получаются швы, имеющие низкий коэффициент формы провара. На металле толщиной 6 мм и ниже возрастает опасность прожогов.

Расчетная оценка, выполненная численным методом с использованием метода конечных элементов, показала, что наличие тепловой изоляции только на поверхности шва при сварке на металле толщиной 12... 16 мм с погонной энергией (cju/V =1,6 МДж/м) позволяет снизить Wg.s ЗТВ в 4,4...5,0 раз у кромки шва и в 2,5 раза под швом. Так как шлак является плохим проводником теплоты, то наличие массивной шлаковой корки при условии сохранения её целостности могло бы обеспечить тепловую защиту поверхности шва. Изучение состояния шлаковой корки показало, что электроды ЭПС-52 рудно-кислого типа дают рыхлый несплошной слой шлака, электроды основного типа ЭПС-А и У ОНИ 13/45П плотный, но тонкий и растрескивающийся, а АНО-4П рутилового типа формируют сплошной, но тонкий и неплотный шлак. Буква П в маркировке означает, что на покрытие электродов для сварки на воздухе наносится водостойкий слой лака. Очевидно, что традиционное покрытие электродов не может обеспечить тепловую изоляцию поверхности шва под водой.

Известный опыт подводной автоматической сварки проволокой под слоем смеси флюса с жидким стеклом показал положительное влияние такого слоя на замедление охлаждения

1 ПГТУ, инженер

2 ПГТУ. д-р. техн. наук, проф.

металла ЗТВ [5]. При сварке покрытым электродом слой смеси жидкого стекла со шлакообразующим компонентом так же позволил значительно уменьшить скорость охлаждения металла. При оптимальном количестве компонента и вязкости жидкого стекла слой не размывается водой и формируется шлаковая корка размером на 2...4 мм больше ширины шва и высотой 14... 16 мм. Она сохраняется и после сварки в виде цельного сплошного слоя шлака. Такая корка образуется при использовании электродов различного типа, если в зону сварки вводится дополнительное количество шлакообразующих веществ. Во всех случаях сварной шов приобретает сглаженные формы, как при сварке на воздухе, что свидетельствует о существенном влиянии скорости охлаждения на характер формирования шва. На повышенных сварочных токах такая изоляция зоны сварки от воды позволяет избежать подрезов на швах.

Для сравнения двух методов снижения скорости охлаждения по воздействию на металл ЗТВ была выбрана чувствительная к холодным трещинам сталь 10ХСНД (Сэкв = 0,43 %; От = 400 МПа) толщиной 12 мм. Скорость охлаждения определялась преимущественно под швом на расстоянии 0,2...0,8 мм от линии сплавления по методике, описанной в работе [4]. Твердость металла измерялась на прессе Виккерса с нагрузкой 10 кг на расстоянии 0,2... 0,8 мм от линии сплавления до центра отпечатка, т.е. на участке перегрева, наиболее чувствительном к холодным трещинам. Максимальная твердость металла ЗТВ находилась как среднее значение из 8... 10 измерений, выполненных вдоль линии сплавления с определением доверительной погрешности. В отдельных случаях делали строчечный промер твердости по оси шва через ЗТВ с выходом на основной металл. На этих же шлифах проводили металлографические исследования с увеличением до 320 раз для обнаружения дефектов.

Представленные на рис. 1 результаты измерений показали, что увеличение погонной энергии позволяет значительно (в 2 раза) снизить скорость охлаждения и твердость металла ЗТВ. В металле шва поры не обнаружены, а в металле ЗТВ на участке перегрева под швом присутствовали продольные холодные трещины подваликового типа. Они расположены параллельно поверхности пластины и имеют небольшую протяженность. При сопоставлении полученных измерений с термокинетической диаграммой для данной стали (построенной в ИЭС) [6] можно считать, что в ЗТВ при максимальной погонной энергии ЦцА^ = 3,2 МДж/м формируется смешанная мартенситно-бейнитная структура, содержащая 50...60 % мартенсита.

х

0)

м

я> О

О ^

л

о о. о ас

О

80 60

40

20

360 340

о >

X

л

о 2

зоо £

320

280

Рис. 1 - Влияние погонной энергии и ширины слоя тепловой изоляции (смесь жидкого стекла с рутиловым концентратом) на скорость охлаждения | И I , твердость | | и наличие трещины (тр) в металле ЗТВ. Электроды АНО-4П диаметром 4 мм; УСв = 1,7 мм/с; обратная полярность; глубина воды 0,3м, Тв - 10... 12 °С.

1 - qu/V = 2,0 МДж/м; 1св = 170 А; 2 - qu/V = 2,5 МДж/м; 1св = 200 А; 3 - Чи/У = 3,2 МДж/м; 1св = 230 А; 4 - ди/У = 2,0 МДж/м; Виз = 18 мм; 5 - qu/V = 2,0 МДж/м; Виз = 50 мм; 6 - qu/V = 3,2 МДж/м; Виз = 50 мм.

При использовании электродов ЭПС-52 увеличение погонной энергии аналогично отражается на изменении АЛ^ и твердости металла ЗТВ, и также не устраняет подваликовые трещины. Только высоколегированные аустенитные электроды ЭПС-А обеспечивали металл ЗТВ без трещин. Однако высокая твердость металла ш (НУю 400...500) о д и т к продольным холодным трещинам в центре шва.

Измерения скорости охлаждения и твердости в металле ЗТВ, полученном при тепловой изоляции поверхности шва массивной шлаковой коркой, (см. рис. 1 поз. 4) подтвердили высокую эффективность этого приема. Скорость охлаждения без увеличения погонной энергии снизилась в 1,5 раза. Однако такого значения \Vg_5 оказалось не достаточно для существенного уменьшения твердости металла и устранения трещин. Расширение теплоизолирующего слоя на всю нагреваемую поверхность (Виз = 50 мм) позволило дополнительно снизить скорость охлаждения, сократить долю мартеиситной составляющей до 25...30 %, твердость металла ЗТВ до НУ 309±5...290±3 при сварке на погонной энергии 2,0...3,2 МДж/м. При таких свойствах металла в ЗТВ не обнаруживались холодные трещины. Благоприятное влияние тепловой изоляции было подтверждено и при использовании других марок электродов. При сварке электродом ЭПС-52 (я-УУ = 3,1 МДж/м, Виз ™ 50 мм) твердость металла ЗТВ составляла НУ,,, 300±10 при отсутствии трещин.

Присущее мокрому способу подводной сварки переохлаждение поверхностного слоя металла, приводящее к большому различию градиентов температур и скоростей охлаждения ЗТВ у кромки шва и под швом [4], устраняется при использовании тепловой изоляции Скорость охлаждения металла ЗТВ на поверхности (Л\'йо = 23 °С/с, М^-з =13 °С/с) становится даже ниже, чем под швом - 28 °С/с, \V5-3 - 23 °С/с) при qu/V = 2,0 и ВИз = 50 мм. Дополнительно это подтверждается измерением потемневшего участка ЗТВ, который хорошо просматривается на макрошлифах. Его граница соответствует температуре 650 ...750 °С (при сопоставлении с данными по распределению температур в работе [4]). В обычных условиях сварки размер этого участка на поверхности составляет 0,7...0.9 мм при Ци/У = 2,0 МДж/м. Тепловая изоляция (Виз = 50 мм) увеличивает его до 1,7 . 2,1 мм. Повышение же погонной энергии до 3.2 МДж/м без тепловой изоляции увеличивает размер этого участка ЗТВ только до 1,0... 1,1 мм.

Для упрощения сложной технологии использования смеси жидкого стекла со шлакообразующими компонентами и сохранения оперативности ручной сварки целесообразно получать массивную корку за счет материала покрытия. Прилегающую ко шву поверхность металла желательно изолировать более технологичным и неразмываемым потоками воды материалом. Повышение массы покрытия возможно только путем увеличения его диаметра, размер которого ограничивается длиной втулки нерасплавленной части покрытия. Чрезмерная втулка ухудшает устойчивость горения дуги и требует повышенного усилия прижатия электрода к изделию, что затрудняет работу водолазу-сварщику [7]. Повысить массу шлака, не увеличивая чрезмерно длину втулки, можно путем нанесения на покрытие второго слоя, имеющего пониженную температуру плавления или содержащего легкоплавкое связующее вещество.

Использование легкоплавкой шлаковой системы ТЮ2-Сар2-На2В407 позволило >-величить диаметр покрытия на базовом электроде АНО-4П с 6,0 мм до 9,0 мм, коэффициент массы покрытия с 0,35 до 1,2 при относительно небольшом росте длины втулки (с 2,1 мм до 3,2 мм) и улучшить формирование металла шва [8]. При Яи/У = 2,0 МДж/м \¥«_5 ЗТВ снижается с 67 °С/с до 57 °С/с. Введение легкоплавкой связки для закрепления рутилового концентрата в наружном слое позволило увеличить диаметр покрытия до 10,0 мм, коэффициент массы покрытия до 1,9 и получить слой шлака по качеству как на воздухе (рис. 2). Содержание рутилового концентрата в покрытии возрастает до 80... 82 %, а Wx-s в ЗТВ снижается до 52 °С/с.

Поиск и последующее изучение свойств материалов, перспективных для тепловой изоляции поверхностей, прилегающих ко шву, позволили установить, что силоксановй каучук с добавлением эпоксидной смолы обладает хорошей адгезией к металлу в воде (10. . 18 кг/см2), низкой теплопроводностью (0,15...0,19 Дж/см-к) и повышенной термостойкостью (350...400 °С). Предложенная комбинированная тепловая изоляция от воды, показана на рис.3. При оптимальных размерах силаксано-смоляного каучука и наличии массивной плотной шлаковой корки обеспечивается снижение ЗТВ до 33...25 °С/с при использовании погонной энергии 2,0...3,2 МДж/м. Твердость металла ЗТВ на стали 10ХСНД соответственно составляет НУ]0 314±5... 294+5. Холодные трещины не были обнаружены.

Оказалось что в зависимости от условий контакта с водой можно получать различное качество шлака (см. рис. 2). При определенном расстоянии между слоями каучука плотный сплошной шлаковой покров (как на воздухе) получается даже при использовании однослойного промышленного электрода. Это объясняется образованием непрерывного слоя за счет контакта шлака с каучуком, препятствующего попаданию воды под край шлаковой корки Газы, выделяющиеся от разложения каучука в момент его соприкосновения с расплавленным шлаком, являются дополнительным экраном от воды.

гс

3

3-

вз

§ в

Л

5

2,0 1,5

1,0

I I - рыхлый

Г1 I I I - ПЛОТНЫЙ

ил

1

Схема комбинированной изоляции свариваемого

Рис. 2 - Влияние массы покрытия и условия сварки на Рис. 3 плотность шлака. тепловой

Щ - электроды АНО-4П; металла.

2 - комбинированная тепловая изоляция; 1 - Слой теплоизолирующего 3;4 - АНО-4Д двухслойные электроды; материала

3 - диаметр покрытия 8 мм; 2 - Массивная шлаковая корка

4 - д иаметр покрытия 10 мм

Результаты определения пластических свойств сварных соединений, выполненных в различных условиях на стали 10ХСНД, показаны на рис. 4. Комбинированная тепловая изоляция свариваемого металла позволила повысить угол изгиба до уровня, получаемого при сварке на воздухе. Такие результаты объясняются улучшением однородности распределения твердости по всем участкам сварного соединения (рис. 5) и отсутствием дефектов в металле шва и ЗТВ.

180 140

ю 100 ЕЕ

СП

I 60

£ >

20

350

6 3, мм

Рис. 4 - Свойство тарных соединений при Рис. 5 - Распределение твердости в поперечном

статическом изгибе 1 ЭПС-52; 2 АНО-4П;

3 Комбинированная теплоизоляция;

4 АНО-4 на воздухе;

сечении по оси шва при ди/У = 2р МДж/м

1 АНО-4П (о)

2 Комбинированная теплоизоляция АНО-4Д(«)

Разработанные сварочные материалы и технология, обеспечивающая замедление скорости остывания металла сварного соединения под водой прошли испытания на глубине 5 м.

Была подтверждена высокая адгезионная способность силаксано-смоляного каучука и удобство его нанесения водолазом на поверхности пластин- в различных пространственных положениях. Материал хорошо сохраняет свои размеры и не сползает по вертикальной плоскости. Электроды с повышенной массой покрытия показали хорошие сварочно-технологические свойства. Комбинированная тепловая защита была опробована на стыковых, нахлесточных, тавровых соединениях и пробе Тэккен, выполненных из сталей 09Г2 и 10ХСНД

и подтвердила высокую эффективность для снижения твердости металла ЗТВ и предотвращения холодных трещин. На пробе Тэккен (сталь 10ХСНД) максимальная твердость металла ЗТВ снизилась с HV10 340..,350 до HV10 265...305.

Выводы

Экспериментально подтверждена высокая эффективность тепловой изоляции металла шва и прилегающей к нему нагретой поверхности от воды для снижения градиента температур, скорости охлаждения в ЗТВ, устранения неоднородности их распределения вдоль линии сплавления и улучшения качества формирования металла шва.

Тепловая изоляция на стали 10ХСНД позволила снизить твердость металла ЗТВ, повысить пластические свойства сварного соединения и предотвратить холодные трещины при использовании низкоуглеродистых электродов.

Установлено, что теплоизолирующий слой сварочного шлака образуется при введении в зону горения дуги повышенного количества шлакообразующих веществ, в том числе путем увеличения коэффициента массы до 1,2... 1,9 с помощью легкоплавкого или с легкоплавкой связкой наружного слоя покрытия. Необходимая масса шлака зависит также от условия его взаимодействия с водой.

Разработан комбинированный способ снижения скорости охлаждения за счет теплоизолирующего сварочного шлака и слоя силаксано-смоляного каучука, обладающего низкой теплопроводностью и хорошей адгезией, позволяющий снизить Wg.j металла ЗТВ в 1,4...2,0 раза при сохранении оперативных преимуществ мокрого способа сварки.

Перечень ссылок

1. Грецкий Ю.Я., Максимов СЮ. Структура и свойства соединений низколегированных сталей при подводной мокрой сварке покрытыми электродами // Автоматическая сварка. - 1995. -№5.-С. 7-11.

2. Tsai C-L. Masubuchi R. Mechanisms of rapid cooling and their design consideration in underwater welding//Journal of petroleum technology. - 1980. - T.32. - TVs 10. - P.1825-1833.

3. HasuiA., Suga Y. On cooling of underwater welds//Transaction of Japan Welding Society. - 1980. -№ 1 . - P . 21-28.

4. Устинов A.B. L/собенности термического цикла и распределения максимальных температур при подводной мокрой сварке покрытыми электродами // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. научн. тр. - Мариуполь, 1998. - Вып. 6. - С. 232-235.

5. Hasui A., Suga Y. and Sekimluzu N. On underwater submerged-arc welding (1" report) - The feasibility ofunderwater welding by submerged arc welding process // Transaction of Japan Welding Society. - 1980. V.ll.-№ l.-P. 9-15.

6. Структурные превращения и свойства металла ЗТВ сварных соединений стали 10ХСНД / 77. Зайфарт, Х-Г. Гросе, В. А. Довженко и др. // Автоматическая сварка. -1991,-№8.-С. 12-16.

7. Sadowski Е.Р. Underwater wet welding // Welding Journal. - 1980. - № 7. - P. 30-38.

8. Устинов A.B., Чигарев B.B. Электроды с повышенной толщиной покрытия для подводной мокрой сварки // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. научн. тр. - Мариуполь, 1999. -Вып. 8. - С. 137-140.

Устинов Александр Викторович. Ассистент кафедры "Металлургии и технологии сварочного

производства", окончил Ждановский металлургический институт в 1974 году. Основные направления исследований - исследование особенности подводной ручной дуговой сварки мокрым способом, разработка сварочных материалов.

Чигарев Валерий Васильевич. Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Металлургии и

технологии сварочного производства», окончил Ждановский металлургический институт в 1969 году. Основные направления научных исследований - изучение теоретических основ и разработка сварочных, наплавочных материалов, технология нанесения износостойких покрытий.