Микролегироваение сварных соединений порошковой проволокой

Список литературы

1. Федько.В.Т., Теория , технология и средства снижения набрызгивания и трудоемкости при сварке в углекислом газе.-Томск: Изд-во Том. унта, 1998. - 432 с.

2. Федько.В.Т., Технология, теоретические основы и средства снижения трудоемкости при сварке в углекислом газе: Учебник. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - 398 с.

3. Федько В.Т., Ястребов А.П., Ильященко Д.П. Проблемы разбрызгивания металла при ручной дуговой сварке покрытыми электродами (обзор)//Технология машиностроения. - 2005 - №3 - с. 23 -31.

4. Элементы теории и технологии защиты поверхности от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе: учебное пособие / В.Т. Федько, С.Б. Сапожков, П.Д. Соколов, А.П. Ястребов. - 2-е изд.

- Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.

- 146 с.

5. Большая Советская Энциклопедия.Второе издание Т. 28 -М., 1969-1978. - 660 с.

6. Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э. О качественных характеристиках модификаторов // М: Сталь - 2007 - № 6 - с. 18 - 23.

7. Голубцов В.А., Усманов Р.Г., Шуб Л.Г. Модифицирование -эффективный метод улучшения качества стали // Черметинформация",

- Бюллетени «Чёрная металлургия» -2005 - №12. - с. 45 - 50.

8. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. - 271с.

1Яковлев Д.С., аспирант, 2Шахматов М.В., доктор техн. наук 1ФГБОУ ВПО ЮУрГУ (НИУ) 2АНОО ЮжУралАЦ

УДК 621.791.75

МИКРОЛЕГИРОВАЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОРОШКОВОЙ

ПРОВОЛОКОЙ

На основании анализа микролегирующих элементов проведено экспериментальное исследование их влияния на механические свойства металла шва. Выполнено микролегирование сварных швов через порошковую проволоку, установленную на одной дуге при многодуговой сварке. На основе полученных результатов сделан вывод об эффективности применения порошковой проволоки при сварке высокопрочных трубных сталей для микролегирования сварного шва и снижения погонной энергии сварки. Ключевые слова: многодуговая сварка труб, порошковая сварочная проволока, микролегирование сварных соединений.

И сп ол ьз о ва н и е со в р е м е н н ы х с в а р о ч н ы х м а т е р и а л о в и рациональных режимов сварки позволяет выполнять сварные соединения, обладающие высокими

прочностными и пластическими свой ствам и . К п ерспекти вн ы м сварочным материалам, согласно работам [1, 2], относится порошковая п р о в о л о к а , п о з в о л я ю щ а я микролегировать металл шва в широких пределах. При этом для и з м е н е н и я к а ч е с т в е н н ы х характеристик сварного соединения достаточно использовать одну§ п о р о ш к о в у ю п р о в о л о к у в тр а д и ц и о н н о м м н о год уго в о м сварочном процессе изготовления труб. *

Методика эксперимента иё используемые материалы ^

Эксперимент проводился на комплексе дуговой сварки, полностью и м и т и р у ю щ е м в ы п о л н е н и е

продольного сварного соединения трубы, которое выполняется комбинацией дуговой сварки в среде защитного газа и дуговой сварки под флюсом. Сварку производили с использованием пластин из стали класса прочности К65 с толщиной стенки 27,7 мм.

Для повышения пластических свойств металла шва при низких температурах его микролегировали такими элементами как никель, молибден, титан, бор. Получение сварного соединения с высокой ударной вязкостью связано с достижением определенного баланса

является молибден, который играет важную роль в дестабилизации а у с т е н и т а , ч т о п о з в о л я е т сформировать бейнит и улучшить вязкость.

Для проведения эксперимента были выбраны две марки проволоки сплошного сечения и три марки металлопорошковой проволоки, при это м п о р о ш ко вую п р о в ол о ку использовали на второй дуге в многодуговом сварочном процессе. Номера соединений и варианты сочетания сварочных материалов, используемых при сварке под флюсом, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сочетание сварочных материалов

Номер соединения Сочетание сварочньх проволок Марка флюса

С-1 S2Mo ФСА ЧТ А 650-20/80

С-2 S2Mo+ S3TiB

С-3 S2Mo+ S3TiB+ Fluxocord 35 25 3D

С-4 S2Mo+ S3TiB+ Power Pipe 3D-Ni

С-5 S2Mo+ S3TiB+ Power Pipe 4D-Ni

между титаном, б о р о м , кислородом, азотом, а также активными раскислительными элементами. Оставшийся после образования оксида ВО и нитрида BN бор подавляет формирование первичного феррита по границам зерен. Дисперсные частицы оксида титана, образовавшегося в результате соединения титана со свободным кислородом, служат зародышами для формирования игольчатого феррита внутри аустенитного зерна [3-5].

Никель важный элемент для улучшения низкотемпературной вязкости сварного соединения, снижающий энергию дефектов упаковки кристаллической решетки и в р едки х сл уч а я х м ехан и ч ески стабилизирующий аустенит, обеспечивая тем самым пластичность м е т а л л а ш в а . О ч е н ь в а жн ы м эл е м е н то м д л я р е гул и р о в ки кристаллизации металла сварного шва

Ввиду повышенного коэффициента расплавления порошковой проволоки сварку соединений С-3 - С-5 выполняли на скорректированных режимах, при этом удалось снизить погонную энергию сварки внутренних и наружных швов на 8-12 %.

Механические испытания и металлографические исследования сварных соединений

Из сварных соединений С-1 - С-5 ^ были изготовлены образцы для испытаний на статическое растяжение £ (тип II по ГОСТ 6996), ударный изгиб ш (тип IX по ГОСТ 6996), определения  химического состава сварных швов и металлографического исследования.  Результаты химического анализа а наружных сварных швов приведены в таблице 2.

Сварные соединения имеют достаточно близкий химический состав (см. таблица 2), за исключением

Таблица 2 - Химический состав металла шва наружных сварных соединений

Массовая доля элементов, %

С Мп 31 Р в N1 V Мо Т\ № в

С-1 0,075 1,54 0,10 0.013 0,003 0,14 0,01 0,27 0,009 0,03 —

С-2 0.07 1,58 0,28 0.015 0,004 0,13 0.02 0,19 0,025 0,04 0,0024

С-3 0,06 1,69 0,31 0.010 0,003 0,12 0,02 0,22 0,030 0,03 0,0024

С-4 0,07 1,56 0,27 0.011 0,003 0,59 0,02 0,25 0,025 0,03 0,0025

С-5 0,07 1,72 0.39 0.011 0,004 0,82 0,018 0.25 0,018 0,03 0,0015

соединений С-4 и С-5, где выше содержание никеля. При проведении химического анализа по высоте сечения сварных швов С-3 - С-5, микролегированных через порошковую проволоку, установлено, что химический состав металла шва однородный по всему сечению, т.е. использование одной порошковой проволоки на второй дуге в многодуговом сварочном процессе обеспечивает гомогенность наплавленного металла.

Результаты испытаний сварных соединений на статическое растяжение (металл наружного шва) и ударный изгиб приведены в таблицах 3 и 4 соответственно.

Таблица 3 - Испытания сварного соединения на статическое растяжение, образцы цилиндрические продольные от наружного шва

Номер образца Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, %

С-1 560 640 22,0

С-2 620 690 23,0

С-3 620 710 23,5

С-4 650 720 25,0

С-5 640 710 23,5

Таблица 4 - Испытания сварного соединения на ударный изгиб КСЧ образцы

Номер образца Ударная вязкость К^, Дж/см , при температуре испытания

Минус 40°С Минус 60°С

Металл шва ЛС Металл шва ЛС

С-1 72 49 68 152 139 96 37 22 41 37 37 67

С-2 158 234 146 128 98 63 146 188 141 30 38 30

С-3 174 143 179 215 221 243 83 160 169 81 104 50

С-4 169 144 135 186 244 193 133 132 89 173 61 206

С-5 252 193 191 240 233 241 207 180 165 87 163 134

При микролегировании молибденом значение предела прочности металла шва ^ находится на нижней границе нормативных требований для сварных соединений из д сталей класса прочности К65. Многокомпонентное микролегирование молибденом, £ титаном, бором и никелем позволяет повысить прочностные свойства металла шва. §

Как видно из таблицы 4 при микролегировании сварных соединений только молибденом не удается достигнуть требуемого показателя ударной вязкости для ^ сварных соединений из сталей класса прочности К65 (не менее 70 Дж/см2).

Дополнительное микролегирование титаном, бором и никелем (соединения С-2 - С-5) позволяет значительно повысить ударную вязкость металла шва.

Анализ результатов испытаний на ударный изгиб показал, что все сварные соединения, выполненные с и сп ол ьз о ва н и е м п о р о ш ко во й проволоки, имеют более высокие показатели ударной вязкости в зоне термического влияния, что, по мнению авторов, связано с понижением погонной энергии сварки, увеличения тем самым скорости охлаждения металла в зоне термического влияния и формированию более благоприятной структуры.

Исследования микроструктуры проводили для сварных соединений С-2 и С-5. В микрострукту

иссл едован н ы х сварн ы х ш вов наблюдаются крупные аустенитные з е р н а , о б р а з о в а н н ы е п р и кристаллизации сварного шва, внутри которых формируется игольчатый бейнит. Кристаллы бейнитной а-фазы имеют вид пластин линзовидной формы, которые располагаются друг к другу под определенными углами, образуя своеобразные переплетения (см. рис. 1). По границам кристаллов бейнита присутствуют дисперсные участки мартенситно-аустенитной составляющей (МА) размером до 3 мкм. На образце С-2 по границам аустенитного зерна формируются вытянутые зерна аллотриоморфного ф е р р и т а . О б р а з о в а н и е а л л о т р и о м о р ф н о го ф е р р и та обусловлено незначительным

оичивости

Рис. 1. Микроструктура а - соединение С-2; б

наружных сварных швов - соединение С-5

Рис. 2. Микроструктура на участке крупного зерна зоны термического влияния _наружного шва: а - соединение С-2; б - соединение С-5

Таблица 7 - Параметры зоны термического влияния сварных соединений С-2 и С-5 при наложении наружного шва

№ образца Общая ширина ЗТВ, мм Ширина участков в ЗТВ, мм

Участок крупного зерна Участок перекристаллизации Участок мелкого зерна

С-2 5,0 2,0 2,0 1,0

С-5 4,0 1,5 1,5 1,0

переохлажденного аустенита за счет легирования (уменьшения марганца и никеля по сравнению соединением С-5).

В зоне крупного аустенитного зерна всех исследованных образцов формируются крупные участки игольчатого и глобулярного бейнита (см. рисунок 2). На участке перекристаллизации аустенитное зерно постепенно измельчается и образуется также см еш ан н ая бейнитная структура с выделением МА-составляющей и перлита. В зоне м е л к о г о з е р н а н а р я д у с ф о р м и р о в а н и е м б е й н и т н о й с о с та в л я ю щ е й н а бл ю д а ет с я о б р а з о в а н и е п р о д у к т о в диффузионного превращения -п о л и г о н а л ь н о г о ф е р р и т а и вырожденного перлита. Но важно отметить, что во всех участках зоны термического влияния в образце С-5 формируется дисперсная МА-составляющая, которая, как известно, с п о с о б с т в у е т п о в ы ш е н и ю механических свойств при динамическом нагружении.

На исследованных образцах наблюдаются различия по ширине зоны термического влияния, которые представлены в таблице 7.

Установлено, что на образце С-5 протяженность зоны термического влияния от сварки меньше, чем на образце С-2. При нанесении надреза по линии сплавления для зоны термического влияния минимальной ширины концентратор напряжений будет в большей степени приходиться на участок с перекристаллизованной

структурой, либо на участок с мелким зерном, что положительно сказывается на ударной вязкости.

Выводы

1. Использование в многодуговом сварочном процессе порошковой проволоки позволило снизить погонную энергию сварки внутренних и наружных швов на 8-12%, при этом существует возможность дополнительного снижения погонной энергии, посредством уменьшения площади усиления шва.

2. П р и м и к р о л е г и р о в а н и и металла шва через порошковую проволоку, расположенную 2на второй дуге в многодуговом сварочном процессе, получены однородные по химическому составу сварные соединения.

3. М н о г о к о м п о н е н т н о е микролегирование молибденом, титаном, бором и никелем является н а и б о л е е э ф ф е кт и в н ы м д л я повышения низкотемпературной вязкости металла сварного шва. Микролегирование только молибденом не обеспечивает требуемый уровень пластических свойств сварного соединения выполненного из стали класса прочности К65. ЙЗ

4. Использование порошковой проволоки в многодуговом процессе сварки способствует получению более * высоких показателей ударной вязкости §

в зоне термического влияния, что в связано с меньшей протяженностью в з о н ы те р м и ч е ско го вл и я н и я , формированием в данной зоне дисперсной МА-составляющей в

результате снижения погонной энергии сварки и увеличения скоростей охлаждения.

5. Применение порошковой проволоки при сварке высокопрочных т р у б н ы х с т а л е й я в л я е т с я эффективным способом получения сварного соединения с высокими механическими характеристиками при отрицательных температурах.

Список литературы

1. Яковлев, Д.С. Анализ технологических особенностей сварки порошковой проволокой / Д.С. Яковлев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2014. Вып. 14. - №2.

- С.92-95.

2. Я к о в л е в , Д . С . А н а л и з различных типов сварочных проволок для сварки трубных сталей при толщинах более 25,0 мм / Д.С. Яковлев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлург».

- 2012. - Вып. 11. - №5(12). - С. 30-32.

3. Пат. 2434070 Российская Федерация, М П К С22С38/00,

В23К35/30, В23К9/23. Высокопрочная сварная стальная труба, металл сварного шва которой обладает высоким сопротивлением холодному растрески ван и ю, и сп особ ее изготовления / Наоя Хаякава, Суити Сакагути, Фумимару Кавабата, Мицухиро Окацу, Макота Ота, Сигеки Нисияма, Каору Нагатани, Кеито Исизаки. - № 2009139659/02; заявл. 19.03.2008; опубл. 20.11.2011. - Бюл. №32. - С.26.

4. Файнберг, Л. И. Микролегирование швов титаном и бором при многодуговой сварке газонефтепроводных труб большого диаметра / Л.И. Файнберг, А.А. Рыбаков, А.Н. Алимов, Р. Розерт // Автоматическая сварка. - 2007. - №5. -С. 20-25.

5. Подгаецкий, В.В. О влиянии химического состава шва на его микроструктуру и механические свойства / В.В. Подгаецкий // Автоматическая сварка. - 1991. - №2. -С.1-9.

Зернин Е.А., Крампит А.Г., Крампит М.А., Чернов А.С. ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Юргинский технологический институт

УДК 621.791.65

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНОГО ШВА С ПОЛНЫМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ ПРИ ИМПУЛЬСНО-ДУГОВОЙ СВАРКЕ

ТАВРОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Актуальность работы заключается в том что сварка тавровых соединенийсредних и больших толщин на данный момент требует значительных затрат на механическую обработку как по времени, так и с финансовой стороны. Объектом исследования является процесс дуговой сварки плавящимся электродом металлических пластин толщиной 10мм. В статье рассмотрены различные способы сварки больших толщин, проведена их классификация и сравнение; описаны

методики проведения экспериментального исследования; показано проведение экспериментов и представлены результаты.

Ключевые слова: импульсно-дуговая ^ сварка, тавровые соединения, сварка с полным проплавлением.

На машиностроительных * предприятиях сварка зависит от механической обработки(в частности § на этапе подготовки кромок). § Конструкции из листов более 4 мм для обеспечения гарантированного