Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Взаимодействие алюминия и стали при сварке и наплавке 10
1.1. Структура, фазовый состав и свойства сплавов системы железо-алюминий 10
1.2. Предпосылки применения сплавов на основе системы железо-алюминий в качестве наплавочных материалов 16
1.3. Способы наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий 29
1.4. Влияние алюминия на свойства металла шва при сварке стали с алюминиевым покрытием 33
ГЛАВА 2. Физико-химические условия управления содержанием алюминия и свойствами металла шва 46
2.1. Физико-химические условия рафинирования сварочной ванны от алюминия 46
2.1.1. Технологические приемы снижения содержания алюминия в металле шва 49
2.1.2 Способы рафинирования стали от алюминия при сварке плавлением 63
2.1.3. Физико-химические условия рафинирования сварочной ванны от алюминия галогенидами 67
2.1.4. Окислительное рафинирование сварочной ванны от алюминия 75
2.1.5. Обеспечение технологических условий для рафинирования сварочной ванны от алюминия 86
2.2. Предпосылки применения присадочных материалов на основе медии никеля для сварки сталей с алюминиевым покрытием 88
2.2.1. Влияние алюминия и железа на свойства медной основы металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием 88
2.2.2. Влияние алюминия и железа на свойства никелевой основы металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием 90
2.3. Управление содержанием алюминия в наплавленном металле 92
2.3.1. Расчет содержания алюминия в наплавленном металле 92
2.3.2. Легирование наплавленного металла на основе системы железо-алюминий 103
ВЫВОДЫ по 2 главе 106
ГЛАВА 3. Исследование процессов сварки сталей с алюминиевым по крытием 108
3.1. Методика исследования влияния алюминия на процессы сварки и свойства сварных соединений 108
3.1.1. Методика исследования процессов аргонодуговой сварки сталей с алюминиевым покрытием 108
3.1.2. Методика исследования процессов сварки сталей, покрытых алюминием, в среде активных газов 109
3.1.3. Определение механических свойств сварных соединений 113
3.1.4. Определение химического состава сварного шва 114
3.2. Особенности взаимодействия алюминия и стали при аргонодуговой сварке сталей, покрытых алюминием 118
3.2.1. Влияние алюминиевого покрытия на процесс формирования сварного шва и зоны термического влияния при аргонодуговой сварке 118
3.2.2 Исследование влияния алюминия на структуру и свойства сварного соединения при аргонодуговой сварке сталей, покрытых алюминием 126
3.2.3. Влияние состава окислительных флюсов на процессы рафинирования при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом 138
3.2.4. Влияние галогенидных флюсов на процессы рафинирования при аргонодуговой сварке стали с алюминиевым покрытием 147
3.3. Исследование процессов рафинирования при сварке сталей, покрытых алюминием, в среде активных газов и газовых смесей 152
3.3.1. Исследование процессов рафинирования при сварке сталей в среде углекислого газа 152
3.3.2. Исследование процессов рафинирования при сварке в среде углекислого газа на активной флюсовой подушке 170
3.3.3. Исследование процессов рафинирования при сварке на активной газовой подушке 174
3.3.4. Технология сварки маслоохладителей трансформаторов 181 ВЫВОДЫ по 3 главе 184
ГЛАВА 4. Исследование процессов сварки плавлением сталей, покрытых алюминием, с применением проволок из цветных металлов и сплавов 187
4.1. Исследование процессов сварки стали с алюминиевым покрытием с применением медной проволоки 188
4.1.1. Аргонодуговая сварка с использованием медной проволоки сталей, покрытых алюминием 188
4.1.2. Исследование процессов сварки сталей, покрытых алюминием, в среде углекислого газа с применением медной проволоки 198
4.2. Исследование процессов сварки сталей, покрытых алюминием с применением никелевой проволоки 200
4.3. Исследование процессов аргонодуговой сварки никель-хромовой проволокой стали с алюминиевым покрытием 204
ВЫВОДЫ по 4 главе 210
ГЛАВА 5. Исследование процессов наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий 212
5.1. Методика исследования процессов наплавки и свойств наплавлен ного металла на основе системы железо-алюминий 212
5.1.1. Методика исследования процессов наплавки 212
5.1.2. Методика исследования эксплуатационных свойств наплавленного металла 216
5.2. Технологические особенности дуговой наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий 219
5.3. Влияние режимов наплавки на геометрические параметры наплавленного валика 225
5.4. Влияние режимов наплавки на химический состав наплавленного металла 230
5.5. Структура и фазовый состав наплавленного металла 235
5.6. Механические и эксплуатационные свойства наплавленного металла 250
5.7. Исследование влияния подогрева на геометрические параметры и свойства наплавленного валика 254
5.8. Влияние углерода на свойства наплавленного металла 258
5.9. Влияние термической обработки на структуру и свойства наплавленного металла 260 ВЫВОДЫ по 5 главе 266
ГЛАВА 6. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства наплавленного металла на основе системы железо-алюминий 268
6.1. Влияния магния на процессы наплавки и свойства наплавленного метала 268
6.2. Исследование влияния кремния на свойства наплавленного ме- 281 талла
6.3. Исследование влияния марганца на свойства наплавленного металла 288
6.4. Исследование влияния меди на процессы наплавки и свойства наплавленного металла 292
6.5. Влияния хрома на процессы формирования и свойства наплавленного металла 298
6.6. Исследование влияние никеля на свойства наплавленного металла на основе системы железо-алюминий 304
Выводы по 6 главе 312
Общие выводы по работе 314
Список использованных источников 318
- Влияние алюминия на свойства металла шва при сварке стали с алюминиевым покрытием
- Предпосылки применения присадочных материалов на основе медии никеля для сварки сталей с алюминиевым покрытием
- Методика исследования процессов сварки сталей, покрытых алюминием, в среде активных газов
- Исследование процессов сварки сталей, покрытых алюминием с применением никелевой проволоки
Введение к работе
Актуальность темы. Железо и алюминий являются самыми распространенными металлами в земной коре. Кларк алюминия в земной коре составляет около 7,45%, а железа - около 4,2%. Исходя из этого, применение данных материалов в качестве конструкционных будет актуально достаточно длительный период времени. Железо и алюминий существенно отличаются по своим физико-химическим свойствам. Благодаря этому появилась целая группа материалов, в которых оптимально сочетаются свойства этих металлов и их сплавов. Это, прежде всего, композиционные материалы с алюминиевой матрицей и волокнами из стали и биметаллы со стальной основой и алюминиевым покрытием, а также сплавы на основе интерметаллидных фаз системы «железо-алюминий».
Значительная часть технологий изготовления конструкций из таких материалов или же создания специальных покрытий из этих сплавов связана со сваркой и родственными процессами (в частности наплавкой).
В связи с расширением объема производства сталей с алюминиевым покрытием разработка технологий сварки таких материалов становится особенно актуальной. Исследованию процессов сварки алюминия со сталью были посвящены работы В.Р. Рябова, Д.М. Рабкина, СМ. Гуревича, Р.С. Курочко, М.Х. Шоршорова, В.А. Ко-лесниченко, Г.А. Бельчука, Ф.И. Раздуй, В.П. Ситалова, В.В. Трутнева, С. Токеси, Т. Ясуо, Пялл К. Айхори, Г. Шнитца, И. Вильдена, С. Джена, С. Райха. В работах этих авторов показано влияние алюминия на свойства металла шва. Результаты исследований процессов сварки сталей с алюминиевым покрытием приводятся в работах О.И. Стеклова, Н.П. Кармазинова, MA. Сычевой, Е.Е. Зорина, И. Кунципала, где также установлено отрицательное воздействие алюминия на механические свойства метала шва.
С другой стороны, алюминий с железом образует ряд интерметаллидных сплавов, которые обладают уникальными свойствами. Это высокая жаростойкость, коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред и высокая твердость, которая обуславливает высокую износостойкость в условиях абразивного износа.
В работах В.Р. Рябова, А.А. Троянского, А.Д. Рябцева, Н.Н. Галяна указывается на преимущества сплавов на основе интерметаллидных фаз системы «железо-алюминий» и возможности использования наплавленных покрытий этих систем. Однако низкая прочность большинства интерметаллидных фаз ограничивает область их применения.
Целью диссертационной работы является расширение области применения композиций и сплавов системы «железо-алюминий» путем разработки научных и технологических подходов к управлению составом и свойствами металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием и наплавки покрытий системы железо-алюминий.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
На основе исследования физико-химических процессов взаимодействия алюминия со сталью были разработаны пути регулирования содержания алюминия в металле шва.
-
Исследованы процессы рафинирования стали от алюминия при сварке сталей с алюминиевым покрытием.
-
Установлено влияние присадочных материалов на основе меди и никеля на состав, структуру и свойства металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием.
-
Установлено влияние алюминия на состав и свойства наплавленных покрытий системы железо-алюминий.
-
Выявлено влияние легирующих элементов на химический состав и свойства наплавленных покрытий системы железо-алюминий.
Научная новизна. На основе моделирования термодинамики и кинетики физико-химических процессов взаимодействия сталей с алюминием предложен научно обоснованный механизм регулирования содержания алюминия для обеспечения технологических и эксплуатационных свойств металла шва:
в докритической концентрации алюминия в стали - путем активирования процессов рафинирования стали от алюминия связыванием алюминия в газообразные галогениды, его окисления и/или комплексообразования с переводом продуктов взаимодействия в шлак;
в закритической концентрации алюминия в стали - путем легирования хромом для стабилизации и упрочнения пересыщенного матричного твердого раствора алюминия в железе, медью и никелем - для пластифицирования и частичного замещения железа в твердом растворе и соединениях;
научно обоснованы приемы введения легирующих компонентов с целью управления процессом кристаллизации и формирования структуры и свойств металла шва.
Решение проблемы управления взаимодействием алюминия со сталью позволило разработать технологический процесс сварки сталей с алюминиевым покрытием и наплавки износостойких и жаростойких покрытий системы «железо-алюминий».
Практическая значимость. Разработан ряд технологических рекомендаций и составов флюсовых систем, позволяющих добиться эффективного рафинирования металла сварочной ванны от алюминия и повысить механические свойства сварных соединений, что послужило основой созданного технологического процесса сварки стали с алюминиевым покрытием.
Для ОАО «Торговый дом «Автотрансформатор» разработан и внедрен технологический процесс изготовления маслоохладителя трансформатора из стали 08кп с алюминиевым покрытием. Внедрение в процесс изготовления маслоохладителей силовых трансформаторов технологии сварки в среде смеси Аг+02 (70%:30%) с поддувом обратной стороны сварочной ванны этой же смесью дало экономический эффект более 500 000 рублей.
Предложен новый класс наплавочных материалов на основе дешевых недефицитных элементов: железа и алюминия. Разработана методика расчета режимов аргонодуговой наплавки с использованием алюминиевой присадочной проволоки для получения требуемого химического состава шва. Разработана технология наплавки износостойких покрытий на основе получения интерметаллидных фаз системы «железо-алюминий».
Для ЗАО «Жигулевское карьероуправление» разработана и внедрена технология наплавки деталей горнодобывающего оборудования, работающих в условиях
абразивного износа. Внедрение технологии наплавки износостойких покрытий позволило получить экономический эффект более 1,5 млн. рублей.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на 12 всероссийских и международных конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Тольятти, 2004 и 2005 годы; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства». Тольятти, 2006; Четвертой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург, 2007; П Международной научно-технической конференции (Резниковские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении». Тольятти, 2008; Международной научно-технической конференции «Пайка-2008», 10-12 сентября 2008, Тольятти; Пятой международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование». Санкт-Петербург, 2008; ХП Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». Пенза, 2008; Славяновских чтениях «Сварка - XXI век». 4-5 июня 2009. Липецк; 12-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано-до макроуровня». Санкт-Петербург, 2010; V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения». Томск, 2010.
По работе выполнено 7 хоздоговорных работ на общую сумму 2 млн. руб.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 65 работ, в т.ч. две монографии, 19 статей в журналах, рекомендуемых ВАК; получено 8 патентов РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов по работе, 5 приложений, библиографии, включающей 253 источника. Основной текст составляет 378 машинописных страниц.
Влияние алюминия на свойства металла шва при сварке стали с алюминиевым покрытием
Сталеалюминевые конструкции успешно применяются уже на протяжении нескольких десятков лет во многих отраслях современного машиностроения. Они сочетают в себе высокую жаростойкость, износостойкость, твердость сталей с малой плотностью и высокой теплопроводностью алюминия и алюминиевых сплавов. По этим же причинам широкое распространение получила и сталь, покрытая алюминием. Отмечается высокая термическая и коррозионная стойкость покрытия в различных климатических условиях [84, 85]. Покрытие металлоконструкций алюминием в несколько раз по сравнению с лакокрасочными покрытиями увеличивает срок их эксплуатации и позволяет защитить от коррозии и использовать в нефтеперерабатывающей промышленности [86, 87, 88].
Однако при сварке стали с алюминием, как и при сварке стали, покрытой алюминием, возникает ряд проблем, связанных со взаимодействием разнородных металлов. Среди работ, посвященных этим проблемам, наиболее известны исследования В.Р. Рябова, Д.М. Рабкина, СМ. Гуревича, Р.С. Курочко, М.Х. Шоршорова, В. А. Колесниченко, Г.А. Бельчука, Ф.И. Раздуй, В.П. Ситалова, В.В. Трутнева, С. Токеси, Т. Ясуо, Пялл К. Айхори, Г. Шнит-ца, Й. Вильдена, С. Джена, С. Райха, Т. Кацубэ, Т. Такисико, И.А. Черненко, И.Я. Дзыковича и др.
Трудности соединения при сварке алюминия со сталью определяются, прежде всего, тем, что алюминий значительно отличается по своим физико-химическим и механическим свойствам от железа и сталей. Основными препятствиями являются наличие тугоплавкой окисной пленки [67], создающей включения в шве, и химическое взаимодействие стали с алюминием, результатом которого является образование интерметаллидных фаз по линии перехода [89-98]. Кроме того отличительной особенностью взаимодействия алюминия со сталью при сварке является то, что последующей термической обработкой сварного соединения не может быть достигнуто выравнивание концентрации в зоне стыка. Это связано с тем, что интерметаллиды химически стойки, и последующая термическая обработка соединений может привести только к росту протяженности зоны интерметаллидов. Конгломерат интерметаллических фаз сохраняется, и свойства сварного соединения определяются количеством, формой, характером расположения и свойствами интерметаллической прослойки. Таким образом, в процессе сварки соединение оказывается состоящим из трех элементов - стали, железоалюминиевых прослоек и алюминия [85]. Проблемы сварки алюминия со сталью решались способами, при которых на границе контакта исключалось бы появление интерметаллических соединений, т.е., в основном, способами сварки давлением: холодной, ультразвуковой, диффузионной, контактной оплавлением (с последующим выдавливанием хрупких составляющих из стыка). Наиболее широко используется метод холодной сварки.
Эффективным методом соединения стали с алюминием наряду с холодной сваркой является сварка трением, поскольку при быстром протекании процесса сварки можно исключить появление интерметаллидной прослойки. Кроме того, сварка трением обладает рядом преимуществ перед другими способами: кратковременностью технологического цикла, высокой воспроизводимостью требуемого качества соединений и др. [99-104].
Перспективным способом сварки стали с алюминием, по мнению авторов работы [105], является сварка с нагревом дугой низкого давления [106, 107]. Этот способ сварки позволяет получать доброкачественные сварные соединения с весьма ограниченной взаимной растворимостью [106].
Однако все эти методы имеют недостаток, который заключается в том, что сфера их применения узка из-за ограниченности по номенклатуре свариваемых деталей [107, 108].
Способы сварки плавлением отличаются более широкой областью применения. Однако при сварке плавлением и сварко-пайке процессы зарождения и роста интерметаллидной прослойки идут значительно интенсивнее. При формировании соединения существенным является смачивание твердой стали алюминием. Для улучшения смачивания и тем самым сокращения времени контакта расплава со сталью прибегают к легированию шва и нанесению покрытий на поверхность стальной заготовки (цинковое, цинко-никелевое - как наиболее технологичные и недорогие). После смачивания идет процесс растворения железа в жидком алюминии. Установлено, что об разующаяся в процессе растворения фаза Fe2Al5 может переходить в расплав в виде кристаллов и растворяться. Причем скорость роста промежуточного слоя больше скорости растворения, что делает невозможным получение соединения без интерметаллидных прослоек.
Снижения отрицательного действия этого фактора можно добиться увеличением объема расплава алюминия (предварительная разделка кромки), оптимизацией режима с целью ограничения температуры расплава, легированием ванны через присадочный материал элементами, влияющими на скорость роста и состав интерметаллидной прослойки. Введение в шов Si (4-5%), Zn (6,5-7%), Ni (3-3,5%) позволяет уменьшить толщину интерметал-лидного слоя и получить соединения с прочностью на уровне 300-320 МПа [5].
С учетом отмеченных особенностей в практике нашли применение следующие технологии соединений методами плавления алюминия со сталью: сварка-пайка с предварительным нанесением на стальную кромку покрытия с использованием аргонодуговых аппаратов с неплавящимся электродом, сварка с использованием переходной вставки алюминий-сталь, полученной другим способом соединения, автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом по слою флюса АН-А1 [10].
При первом способе покрытия наносятся толщиной 30П40 мкм гальваническим способом или алитированием. При сварке необходимо вести дугу по кромке алюминиевого листа на расстоянии 1-2 мкм от линии стыка и соблюдать определенную скорость (при малых скоростях наблюдается перегрев и выгорание покрытий, при больших - несплавления) [5].
По методу Д.М. Рабкина и В.Р. Рябова, проблема сварки с алюминием решалась путем использования переходной вставки алюминий-сталь, полученной другим способом соединения [10]. Предложенные способы сварки плавлением стали с алюминием характеризуются общими признаками нанесения на сталь промежуточных прослоек из одного или нескольких металлов, которые, однако, не исключают образования интерметаллидных фаз на границе. При этом можно получить вполне удовлетворительную статическую прочность [107].
При сварке под флюсом роль флюса сводится к улучшению смачиваемости и торможению образования интерметаллидов. Необходимо не допускать прямого воздействия дуги на кромку стали, а разделку кромки на стали делать возможно ближе к очертанию профиля ванны. Таким способом сваривают толщины 15-30 мм [5].
Предпосылки применения присадочных материалов на основе медии никеля для сварки сталей с алюминиевым покрытием
. Предпосылки применения присадочных материалов на основе
меди и никеля для сварки сталей с алюминиевым покрытием 2.2.1. Влияние алюминия и железа на свойства медной основы металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием
Алюминий и железо относятся к основным легирующим элементам медных сплавов. Поэтому применение медных присадочных материалов не должно приводить к резкому снижению механических и технологических свойств металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием.
В применяемых промышленностью медных сплавах максимальное содержание алюминия оставляет около 10 % (алюминиевые бронзы), а железа в этих же бронзах - до 4%. При легировании меди алюминием до 10% прочность литой структуры может составлять до ЗООМПа при относительном удлинении до 50%. Легирование железом алюминиевой бронзы до 4% повышает прочность до 400МПа при относительном удлинении до 20% [189]. Таким образом, легирование медной матрицы алюминием и железом в установленных пределах при сварке покрытых сталей обеспечивает показатели прочности и пластичности на уровне основного металла.
Верхний предел содержания алюминия при сварке тонколистовых сталей с алюминиевым покрытием составляет, по расчетным данным, 8-10%) (рис.2.2), что может обеспечить высокий уровень механических свойств металла шва. Однако содержание железа по расчетным данным исходя из геометрических параметров стыкового шва в соответствии с требованиями ГОСТ 14771-76 намного больше 4%. При сварке без зазора минимальное содержание железа при толщине стального листа 0,5мм будет составлять около 20% (рис. 2.32). Увеличение толщины листа может привести к повышению содержания железа в шве. Сварка с зазором величиной 1,5 мм в соответствии с требованием указанного ГОСТа для сварки без подкладки обеспечивает увеличение доли присадочного металла, что позволяет уменьшить содержание железа до 10% при той же толщине листа. Увеличение зазора, которое допускается при сварке на подкладке, еще в большей степени снижает со держание железа. Причем, содержание железа значительно уменьшается при максимальной расчетной толщине листов (рис.2.32).
Однако содержание железа остается достаточно высоким. Для его снижения необходимо увеличивать относительный объем наплавленного металла. Это можно обеспечить за счет увеличения расхода присадочной проволоки или уменьшения объема проплавленного металла. При этом необходимо увеличивать зазоры выше рекомендуемых значений или уменьшать коэффициент формы валика ниже рекомендуемых значений. Коэффициент формы валика определяется при этом из выражения:
Для снижения содержания железа до 4% объем присадочного металла должен быть больше объема основного почти в 20 раз. Следует, однако, учитывать, что алюминий и железо относятся к металлам с большим сродством к кислороду, чем медь. Это увеличивает долю потерь на окисление этих металлов при сварке, что позволяет уменьшить относительный объем присадочного металла. Еще в большей степени снижается содержание алюминия и железа при сварке в активных газах (ССЪ) и газовых смесях. Значение константы равновесия реакции окисления алюминия и железа углекислым газом и кислородом, который образуется при разложении С02, намного выше константы равновесия окисления меди. Железо и алюминий при этом будут выполнять функцию раскислителей. Алюминий более интенсивно окисляется, поэтому при сварке его содержание будет снижаться интенсивнее, чем железо. Все это позволяет уменьшать долю присадочного металла в сварном соединении.
Сварку сталей с алюминиевым покрытием с медной проволокой можно реализовывать как неплавящимся электродом в среде инертных газов, так и плавящимся электродом в среде инертных или активных газов.
Влияние алюминия и железа на свойства никелевой основы металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием
Перспективность применения никеля и сплавов на никелевой основе, как было отмечено, определяется высокой коррозионной стойкостью и жаростойкостью, что позволяет не создавать дополнительное алюминиевое покрытие на металле шва. Эти свойства актуальны при применении сталей с алюминиевым покрытием для изготовления элементов глушителя автомобиля.
Применение никеля в качестве присадочного материала при сварке сталей с алюминиевым покрытием формирует структуру металла шва с никелевой матрицей, легированной железом и алюминием. Легирование никелевой основы алюминием и железом сопровождается повышением прочности и снижением пластичности. Исходя из номенклатуры применяемых ни келевых сплавов содержание железа может доходить до 20%), а алюминия до 5% [111.
Легирование никеля алюминием и железом, неизбежное при сварке, оказывает положительный эффект на его свойства. Так, при сварке никеля с целью улучшения свойств сварных швов [190] рекомендуется вводить в никелевый шов алюминий в качестве модификатора для измельчения структуры. Присутствующий в жидком никеле алюминий при охлаждении становится дополнительным центром кристаллизации. Исследования показали, что алюминий в количестве 0,34% способствует заметному уменьшению величины элементарных кристаллитов [190].
Алюминий повышает стойкость никеля к окислению. По мнению К.В. Багрянского, при сварке легирование никеля алюминием в пределах 0,4-0,8% способствует формированию металла шва со стабильно высокими коррозионными свойствами [190].
Еще более перспективно в качестве присадочного материала применение не никеля, а сплавов на его основе, в частности, нихромов. Хром, согласно данным П.Л. Грузина, повышает энергию связи атомов в твердом растворе системы Ni-Cr-Fe [191]. В промышленных сплавах на основе системы Ni-Ст типа 80-20 содержание алюминия может доходить до 5%. Алюминий повышает не только прочность и твердость нихромов, но и повышает их жаропрочность. Жаропрочные сплавы системы Ni-Cr могут содержать до 10% железа и при этом значительно не изменяются их технологические и механические свойства, в том числе и при высоких температурах [191]. Легирование до 40%) железа снижает прочностные свойства сплавов при повышенных температурах, но прочность при температуре 750С составляет не менее 230МПа [191].
Методика исследования процессов сварки сталей, покрытых алюминием, в среде активных газов
Сварка в среде активных газов и газовых смесей проводилась на постоянном токе обратной полярности с присадочной проволокой Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70 диаметром 1,2 мм. Вылет проволоки устанавливался 10-15 мм, расход газа 14 л/мин, скорость сварки 0,2-0,3 см/с, скорость подачи сварочной проволоки варьировалась от 2,7 до 3,7 см/с, напряжение - от 16 до 20 В.
В качестве активных газовых сред применяли углекислый газ, смесь углекислого газа и кислорода в соотношении 70:30 и смесь «аргон-кислород» в соотношении 70:30. Для смешения газов использовали смесители типа УГС.
Соотношение газов в смеси «углекислый газ и кислород» обусловлено хорошим формированием и внешним видом шва, стабильностью процесса в широком диапазоне режимов с минимальным разбрызгиванием. По данным некоторых исследований [196] при сварке в смеси углекислого газа с кислородом несколько снижается высота выпуклости, уменьшается бугристость шва. Наиболее плавный переход от шва к основному металлу наблюдается при содержании кислорода 20-30 %. Дальнейшее увеличение содержания кислорода приводит к образованию грубой чешуйчатости на поверхности шва, большого количества шлака [196]. А при содержании кислорода свыше 50 % - к ухудшению формирования шва и во многих случаях к появлению пор.
Проведенные исследования в работе [197] показали, что стойкость против образования горячих трещин достигает максимума при содержании кислорода 20-30 %, исходя из чего, а также из качества формирования и внешнего вида соединения, такой состав смеси и принят авторами за оптимальный. Кроме того, при таком соотношении обеспечивается высокая устойчивость процесса и стабильность провара по длине и ширине шва [196, 197]. Однако основной функцией активной газовой смеси при сварке стали с алюминиевым покрытием является рафинирование, что и должно, в первую очередь, определять критерии для выбора того или иного количественного состава смеси. По приведенным выше данным, полученным Н.М. Новожиловым [176], видно, что увеличение содержания кислорода свыше 30 % несущественно влияет на окислительную способность газовой смеси.
Смесь аргона и кислорода в соотношении 70:30 будет еще более эффективна, поскольку ее окислительная способность [176] максимальна по сравнению со всеми остальными газами и смесями [176].
Для рафинирования обратной стороны шва сварку проводили на флюсовой подушке. Для этого в качестве активных составляющих флюса применяли оксид никеля (II), а в качестве базовой системы для флюсов, содержащих оксиды переходных металлов, применяли смесь: MeO-Na3AlF6-CaF2 [192].
Количество активной составляющей варьировалось от 5 до 50% от массы флюсовой основы.
Схема сварки на флюсовой подушке приведена на рис. 3.1.
Схема проведения эксперимента: 1 - металлическая подкладка, 2 - флюс, 3 - пластина их стали, покрытой алюминием, 4 - сварочная горелка.
Тем не менее, такой способ сварки очень трудоемок и ограничен в применении, т. к. может использоваться только для изделий, имеющих свободный доступ с обеих сторон.
Наличие флюсовой подушки увеличивает трудоемкость процесса и ограничивает номенклатуру свариваемых изделий. Поэтому функцию флюсовой подушки было предложено выполнять активной газовой среде. Учитывая это, было предложено проводить сварку с дополнительным поддувом углекислым газом, кислородом или его смесью. Для дозированной подачи газов с обратной стороны шва была изготовлена подкладка, отличительной особенностью которой является наличие цилиндрического канала для подачи защитного газа с подпружиненным поршнем, расположенным под формирующей канавкой и позволяющим регулировать место подачи смеси [198] (рис. 3.2).
Качество получаемых сварных соединений определялось испытаниями на статическое растяжение и статический изгиб, которые проводились согласно ГОСТ 6996-66.
При испытании металла на статическое (кратковременное) растяжение были определены следующие характеристики механических свойств:
- временное сопротивление разрыву ов, МПа (кгс/мм );
- относительное удлинение после разрыва 55, %;
- относительное сужение после разрыва Ш, %.
Испытания проводились на 3 образцах. Размер поперечного сечения образца контролировался с помощью микрометра с погрешностью 0,01 мм. Длина образца измерялась с погрешностью до 0,1 мм. Расчетная длина с погрешностью до 1% ограничивалась на рабочей длине образца рисками с помощью штангенциркуля и разметочного приспособления. Измерения проводились в трех местах в средней части и на границе рабочей толщины образца.
Исследование процессов сварки сталей, покрытых алюминием с применением никелевой проволоки
Исследование процессов сварки стали с алюминиевым покрытием никелевой проволокой проводили в среде аргона на пластинах с алюмокрем-ниевым покрытием.
Для исследуемой толщины металла сварной шов удовлетворительного качества формируется в следующем диапазоне режимов: dn = 1 мм, U = 9-13 В, Vn.nP = 1,67-2,49 см/с VCB = 0,5-0,66 см/с.
Увеличение напряжения с 9 до 13 В при минимальных в исследуемом диапазоне скоростях сварки и подачи проволоки приводит к образованию наплывов, что, вероятно, связано с перегревом никелевого расплава (рис. 4.11а).
С увеличением скорости подачи никелевой проволоки либо при уменьшении скорости сварки при напряжении 13 В формируется литой шов, равномерный по ширине, с отсутствием видимых дефектов (рис. 4.116).
Внешний вид сварных соединений из стали с алюминиевым покрытием, полученных аргонодуговой сваркой с применением никелевой проволоки при режимах: a) U = 13В, Vnnp 1,67 см/с, VCB = 0,5 см/с; б) U = 13В, Vn.np = 2,49 см/с VCB = 0,66 м/мин
Как отмечалось ранее, при сварке с применением проволоки одним из главных параметров, определяющих состав металла шва, является расход электродного материала. В исследуемом диапазоне режимов расход никеле-вой проволоки варьируется в диапазоне 0,35-0,45 г/см.
Химический анализ показал, что в исследуемом диапазоне режимов в составе металла шва содержится никеля - от 63 до 74 масс. %, железа - 33-39 масс. %, алюминия - 1,0-1,45 масс. %. Как показывает рентгеноспектральный анализ, при минимальных значениях расхода никелевой проволоки распределение и алюминия, и железа равномерно по сечению шва. С увеличением расхода электродной проволоки значения содержания железа по сечению шва имеют разброс до 5-7 % (рис. 4.12). Это, вероятно, связано со временем существования сварочной ванны, которое определяется эффективным количеством теплоты или погонной энергией процесса. Так, увеличение подачи электродной проволоки приводит к снижению значений эффективной теплоты процесса и уменьшению времени существования сварочной ванны, в результате чего железо распределяется по сечению металла шва неравномерно. Снижение содержания железа с обратной стороны шва, вероятно, связано, также с окислением сварочной ванны с обратной стороны из-за отсутствия защиты аргоном (рис. 4.12).
Зависимости содержания алюминия и железа от основных параметров режимов можно описать следующими выражениями:
Отсюда следует, что содержание и алюминия, и железа в нем увеличивается с ростом напряжения (рис. 4.12) и уменьшается с увеличением скорости подачи проволоки (рис. 4.12). Так, при увеличении напряжения с 9 до 13 В содержание алюминия увеличивается с 1,16 до 1,25 %, содержание железа - с 33,2 до 36,2%, а при увеличении скорости подачи никелевой проволоки, содержание алюминия снижается с 1,16 до 1,09 %, железа - с 33,2% до 32%.
Рис. 4.12. Зависимость среднего содержания алюминия (а) и железа (б) от: 1 - напряжения; 2 - скорости подачи проволоки; 3 - скорости сварки
Измерения твердости поверхности металла шва показали, что значения твердости находятся в пределах 100-165 HV и зависят от химического состава металла, который определяется режимами сварки. Твердость металла сварного шва с лицевой и обратной сторон практически не отличается. Прочность металла шва при расходе проволоки от 7 до 9 г/см и напряжении более 11В меньше практически на 10—40 МПа прочности никеля HI. Относительное удлинение металла шва на всем исследуемом диапазоне режимов меньше, чем у никеля, и составляет 18-23%. Снижение механических свойств никеля связано с легированием его железом в значительных количествах (более 30%).
Это подтверждается также тем, что с увеличением расхода проволоки до 11 г/м, т.е. с увеличением доли никеля, прочность металла шва значительно повышается и достигает 460 170 МПа, а при увеличении напряжения, которое приводит к повышению содержания железа и алюминия за счет увеличения площади расплавления основного металла, - снижается до 400 МПа (рис. 4.13а). Увеличение расхода проволоки незначительно увеличивает относительное удлинение металла шва, при этом увеличением напряжения до 13 В заметно его уменьшает с 23 до 18% (рис. 4.136).
. Зависимость прочности при растяжении металла шва (а) и относительного удлинения (б) от напряжения (1) и расхода присадочной проволоки (2)
Для исследования процессов сварки заготовки труб собирались во вращателе без зазора. Сварку проводили в среде аргона электродной проволокой Св-Х20Н80 ГОСТ 10994-74 диаметром 1,2 мм. Напряжение устанавливалось 18 В, сила тока 140 А, скорость сварки изменялась в пределах 0,21-0,84 м/мин, а скорость подачи проволоки - 1,28-2,87 м/мин.
Как показывают исследования, при сварке стали с алюмокремниевым покрытием с никель-хромовой проволокой формируется сварной шов характерной грибовидной формы. Увеличение скорости подачи проволоки приводит к сглаживанию «грибовидности» формы шва (рис. 4.14).
Увеличение расхода электродной проволоки приводит к увеличению значения усиления шва и величины его обратной выпуклости и к уменьшению ширины лицевой стороны шва, что обусловлено увеличением тепла, расходуемого на плавление электродной проволоки (рис. 4.14,4.15).
Высота обратной выпуклости на всем диапазоне исследуемых режимов больше, чем высота усиления, что связано с условиями сварки «на весу» и более низкой температурой кристаллизации проволоки по сравнению с материалом основного металла.
