ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ НА ОСНОВЕ ШЛАКА ПРОИЗВОДСТВА СИЛИКОМАРГАНЦА НА ГАЗОНАСЫЩЕННОСТЬ МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.791:624

ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ НА ОСНОВЕ ШЛАКА ПРОИЗВОДСТВА СИЛИКОМАРГАНЦА НА ГАЗОНАСЫЩЕННОСТЬ МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА

А.А. Усольцев, Н.А. Козырев, А.Р. Михно, Р.Е. Крюков, Р.А. Шевченко

E-mail: a.us@rambler.ru Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия

Аннотация. Представлены результаты исследования влияния энерготехнологических режимов автоматической сварки под слоем флюса, изготовленного из шлака силикомарганца, на газонасыщенность металла сварного шва. Показаны полученные в ходе экспериментов зависимости влияния энерготехнологических режимов на концентрацию кислорода и азота в металле сварного шва.

Ключевые слова: сварка, флюс, шлак силикомарганца, газонасыщенность, кислород, азот.

INFLUENCE OF ENERGY-TECHNOLOGICAL MODES OF

SUBMERGED ARC WELDING WITH A FLUX PRODUCED FROM SILICOMANGANESE ON GAS SATURATION OF WELDED SEAM METALL

A.A. Usoltsev, N.A. Kozyrev, A.R. Mikhno, R.E. Kryukov, R.A. Shevchenko

E-mail: a.us@rambler.ru Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia

Abstract. The paper presents the study results of the influence of energy-technological modes of submerged arc welding with a flux produced from silicomanganese on gas saturation of welded seam metal. The dependences of the influence of power engineering modes on the concentration of oxygen and nitrogen in the weld metal are shown.

Keywords: welding, flux, silicomarganese slag, gas saturation, oxygen, nitrogen.

Введение

Надежность и долговечность сварного соединения предопределена при прочих равных условиях концентрацией азота, кислорода, а также кислородных неметаллических включений, их морфологией, формой и размерами. В связи с этим при отработке технологии сварки уделяется большое внимание снижению газонасыщенности в металле сварного шва. Настоящая работа продолжает ранее проведенные исследования по изучению влияния новых сварочных флюсов на содержание кислорода в металле сварных швов [1 - 4] и представляет исследование влияния энерготехнологических режимов сварки на газонасыщенность металла сварных швов.

Методика проведения исследований

Сварку образцов проводили после сушки сварочного флюса с целью исключения влажности при температуре 250 - 300 °С в течение 3 ч. Пластины из стали марки 09Г2С толщиной 20 мм сваривали встык без разделки кромок сварочной проволокой Св-08ГА с помощью автоматического сварочного трактора ASAW-1250. В качестве сварочного флюса использовали шлак производства силикомарганца фракции от 0,45 до 2,50 мм. Химический состав флюса на основе шлака производства силикомарганца: 0,420 % FeO; 16,220 % MnO; 29,000 % CaО; 41,340 % SiO2; 6,530 % Al2Оз; 1,330 % MgO; 0,240 % S; 0,022 % P; 0,008 % ZnO; 0,031 % С; 0,310 % F; 0,150 % ТО; 0,025 % Cr2Oз (по массе).

Т а б л и ц а 1

Режимы сварки образцов

Режим I, А V, В V, см/мин Еп, Дж/см

0 700 30 30 42000

1 600 28 28 36000

2 600 30 32 33750

3 600 32 30 38400

4 650 28 32 34125

5 650 30 30 39000

6 650 32 28 44571

7 700 28 30 39200

8 700 30 28 45000

9 700 32 32 42000

Режимы сварки образцов выбирали методом полнофакторного математического планирования эксперимента 3(3 - 1)1 по следующим параметрам: сила тока (I), напряжение (V), скорость сварки (у), погонная энергия (Еп). За основной режим сварки был выбран режим: I = 700 А; V = = 30 В; V = 30 см/мин (режим 0). Режимы сварки образцов, полученные методом полнофакторного математического планирования эксперимента, представлены в табл. 1.

Химический состав металла сварных швов, выполненный рентгенофлюоресцентном методом на спектрометре XRF-1800 и атомно-эмиссион-ным методом на спектрометре ДФС-71, приведен в табл. 2.

При отработке технологии получения сварных соединений с пониженной газонасыщенностью определяли концентрацию кислорода и азота в металле сварного шва по ГОСТ 17745 - 90 «Стали и сплавы. Методы определения газов», устанавливающему метод восстановительного плавления в вакууме или в потоке инертного газа-носителя на газоанализаторе фирмы <^ЕСО» ТС-600 (США).

Для проведения анализа готовили образцы цилиндрической формы высотой не более 6 мм, диам. 5 мм, массой примерно 1 г. Для проведения анализа изготавливали не менее трех образцов. Перед проведением анализа проводили очистку образцов с последующим травлением в соляной кислоте, разбавленной 1:3.

Результаты исследования газонасыщенности исследуемых образцов представлены в табл. 3.

Полученные результаты указывают на рост концентраций азота N и кислорода (свободного O и связанного в соединениях Oсв) с ростом силы тока и на снижение этих показателей при увеличении напряжения, при этом скорость сварки слабо влияет на газонасыщенность металла сварного шва (рис. 1 - 3).

Отмечено, что по степени формирования в металле сварных швов наибольшее количество оксидных включений находится в виде алюминатов, затем следуют силикаты и алюминаты кальция, силикаты кальция, магниевые шпинели (рис. 4), при этом общие тенденции влияния силы тока, напряжения и скорости сварки сохраняются.

Т а б л и ц а 2

Химический состав металла сварных швов

Содержание элементов, % (по массе)

Образец С Si Mn о- № Си Л Мо А1 S Р

0 0,11 0,41 1,16 0,05 0,31 0,15 0,002 0,10 0,009 0,014 0,014

1 0,07 0,48 1,24 0,05 0,43 0,16 0,001 0,14 0,012 0,013 0,016

2 0,08 0,54 1,38 0,06 0,28 0,17 0,003 0,08 0,018 0,014 0,014

3 0,08 0,51 1,31 0,06 0,32 0,15 0,001 0,10 0,014 0,014 0,013

4 0,08 0,49 1,20 0,05 0,45 0,17 0,002 0,16 0,013 0,011 0,015

5 0,07 0,50 1,26 0,05 0,43 0,17 0,003 0,14 0,002 0,012 0,018

6 0,07 0,49 1,25 0,05 0,40 0,16 0,002 0,13 0,001 0,012 0,015

7 0,09 0,50 1,23 0,04 0,41 0,13 0,001 0,14 0,014 0,011 0,011

8 0,09 0,50 1,31 0,06 0,31 0,17 0,001 0,09 0,019 0,014 0,013

9 0,07 0,53 1,27 0,05 0,37 0,15 0,002 0,12 0,010 0,015 0,016

Т а б л и ц а 3

Содержание кислорода и азота в металле сварного шва

Образец Содержание, %

N О Осв Силикаты Алюминаты Алюмосиликаты кальция, силикаты кальция, магниевые шпинели

0 0,092 0,0132 0,1167 0,05234 0,06185 0,00251

1 0,096 0,0130 0,1175 0,05801 0,05614 0,00335

2 0,087 0,0119 0,0973 0,04656 0,04783 0,00291

3 0,087 0,0121 0,0965 0,04635 0,04802 0,00213

4 0,087 0,0132 0,0964 0,04054 0,05425 0,00161

5 0,089 0,0129 0,1102 0,03636 0,07186 0,00198

6 0,083 0,0128 0,0941 0,04553 0,04702 0,00155

7 0,097 0,0141 0,1217 0,05535 0,06442 0,00193

8 0,091 0,0129 0,1167 0,05995 0,05563 0,00112

9 0,091 0,0131 0,1128 0,04518 0,06541 0,00221

По полученным данным построены математические модели содержания кислорода и азота в металле сварных швов от энерготехнологических режимов:

О = 0,0185 + 0,000105989/ - 0,0000121и -0,00000633 Усв (ошибка аппроксимации составляет 9,23 %);

N = 0,001128205 + 0,00016906/ - 0,0000194и -0,0000014669 Усв (ошибка аппроксимации составляет 11,41 %).

Выводы

Проведенные исследования показали, что энерготехнологические режимы сварки влияют на содержание кислорода и азота в металле сварного шва. Концентрация азота и кислорода

N % 0,0140

0,0135

0,0130

0,0125

0,0120

0,0115

0,0110

0,0105

0,0100

у

О а - О б _ О в

О О : - о ° " ° О

= 1Е - 0,5х + 0,0065 Я2 = 0,4993 1 1 1 у = - 0,0002х + 0,0185 Я2 = 0,2909 1 У = - 4Е- 0,5х + 0,0142 ~ Я2 = 0,0126 1

550 600 650 700 I, А 25

30

и, В 25

30

V, см/мин

Рис. 1. Влияние силы тока (а), напряжения (б), скорости сварки (в) на содержание азота в металле сварного шва

Осв, % 0,120

0,115 0,110 0,105 0,100 0,095 0,090 0,085 0,080

у = 0,0001х + 0,0157 R2 = 0,3319

J_I_L

О б

Q о

— о О

_ о о О о

~у = - 0,003х + 0,1963

1 R2 = 0,2351 1 1 1 1

о в

9 о

- ^^о О

- о ° 8

-у = - 0,0018х + 0,1625

- R2 = 0,0768 1 1 1 1 1

550 600 650 700 I, А 27 28 29 30 31 32 и, В 27 30 29 28 31 32 V, см/мин

Рис. 2. Влияние силы тока (а), напряжения дуги (б), скорости сварки (в) на содержание связанного кислорода

в металле сварного шва

(свободного и связанного в соединениях) увеличивается с ростом силы тока и снижается при увеличении напряжения, при этом скорость сварки слабо влияет на газонасыщенность металла сварного шва.

Опыты показали, что в процессе сварки наибольшее количество сформированных оксидных включений находится в виде алюминатов, затем следуют силикаты и алюминаты кальция, силикаты кальция, магниевые шпинели, при этом общие тенденции влияния силы тока, напряжения и скорости сварки сохраняются.

Получены математические модели статистической обработки, которые позволяют оценить влияние энерготехнологических режимов на концентрацию азота и кислорода в металле сварного шва.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Козырев Н.А., Михно А.Р., Крюков Р.Е., Калино-горский А.Н., Бащенко Л.П. Влияние введения добавок во флюсы, изготовленные из ковшевого электросталеплавильного шлака // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 8. С. 606 - 612.

2. Крюков Р.Е., Козырев Н.А., Михно А.Р., Бащенко Л.П., Калиногорский А.Н. Влияние введения добавок углерода и фтора во флюсы, изготовленные из шлака силикомарганца // Изв. вуз. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 1. С. 34 - 39.

3. Kozyrev N.A., Mikhno A.R., Kryukov R.E., Ka-linogorskii A.N., Bashchenko L.P. Effect of Additives Introduction to Fluxes Manufactured from Ladle Electric Steel Slag // Steel in Translation. 2019. Vol. 49. No. 8. P. 504 - 509.

а

O, % 0,096 0,094 0,092 0,090 0,088 0,086 0,084 0,082 0,080

~ О а — О -8 б

- о о

-

о о о о N)

у = 3Е- 0,5х + 0,0691 у = - 0,0015х + 0,1353

О R2 = 0,3804 О

_ R2 = 0,1044 1 1 1 1 1 1 1 1

- О

-у = - 0,0004х + 0,1025 . 0 R2 = 0,0248 _I_I_I_I_I_

550 600 650 700 I, А 27 28 29 30 31 32 и, В 27 28 29 30 31 32 V, см/мин

Рис. 3. Влияние силы тока (а), напряжения дуги (б), скорости сварки (в) на содержание свободного кислорода в металле

сварного шва

в

«о

1 ^

2 £ g *

* к

и

S К

У

s^ о ^

о

U

0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

_ у = 0,0001х - 0,015 □ а

R2 = 0,3263 " =..................... : *— й Д

- ЛУ = 4Е - 0,5х + 0,0234

R2 = 0,049

у = -8Е- 0,6х + 0,0074

~ R2 = 0,2784 О-1)- —а

550

600

650 I, А

700

750

«о О

& £

2 ^ * ®

и

s к S 5S

У

s^ о

3

0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

27

В_ в

У = - 0,0014х + 0,0982 б

Л тг

R2 = 0,081

------К----R

л дУ

0,0015х + 0,093 R2 = 0,1174

у = -1Е - 0,4х + 0,0051

R2 = 0,0701 Ö........h........fr.......4........d)

28

29

30 U, В

31

32

33

«о О

& £

* к

и

S К

S ^

У

s^ о ^

о

U

0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

у = 0,000 7х + 0,0355 в

1 1 ü R2 = 0,0196 „ □ □ Л

CL_ _ — □ Л A D

у = - 0,0026х + 0,1266А

~ R2 = 0,311

у = 6Е- 0,5х + 0,0004

6........1— , R2 = 0,0213 ^

27

28

29

30

31

32

33

V, см/мин

Рис. 4. Влияние силы тока (а), напряжения (б), скорости сварки (в) на распределение кислородных неметаллических

включений в металле сварного шва: А - силикаты; □ - алюминаты; о - алюминаты кальция, силикаты кальция, магниевые шпинели

4. Kryukov R.E., Kozyrev N.A., Mikhno A.R., Bashchenko L.P., Kalinogorskii A.N. Effect of Carbon and Fluorine Added to Silicomarga-nese Slag Fluxes // Steel in Translation. 2020. Vol. 50. No. 1. P. 11 - 15.

© 2020 г. А.А. Усольцев, Н.А. Козырев, А.Р. Михно, Р.Е., Крюков, Р.А. Шевченко Поступила 8 июня 2020 г.