Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Модифицирование металла шва и особенности при реализации сварочных процессов 11
1.1. Объект исследования и предъявляемые к нему требования. 11
1.2. Способы повышения ударной вязкости сварных соединений. 14
1.3. Описание принципов модифицирования металла шва. 17
1.4. Анализ опробованных схем ввода тугоплавких наноразмерных модификаторов при реализации различных способов сварки .
1.4.1. Ручная дуговая сварка и наплавка плавящимися покрытыми электродами. 24
1.4.2. Полностью механизированная сварка под слоем флюса. 26
1.4.3. Ручная дуговая сварка в инертном газе вольфрамовым электродом. 28
1.4.4. Частично механизированная дуговая сварка в защитном газе плавящимся электродом 30
1.4.5. Лазерная сварка. 34
1.4.6. Плазменно-порошковая наплавка. 35
1.4.7. Электрошлаковая сварка и наплавка.
1.5. Выводы главы 1 38
1.6. Цель и задачи исследования. 42
Глава 2. Физико-химические свойства модификаторов и моделирование их воздействия с элементами сварочной ванны 43
2.1. Физико-химические свойства тугоплавких соединений, применяемых в качестве модификаторов. 43
2.2. Моделирование фазового и химического равновесия . 47
2.3. Термодинамический расчет возможных реакций WC с элементами сварочной ванны. 52
2.4. Термодинамический расчет возможных реакций TiN с элементами сварочной ванны. 54 Стр.
2.5. Термодинамический расчет возможных реакций Al2O3 с элементами сварочной ванны. 56
2.6. Выводы по главе 2. 58
Глава 3. Материалы, оборудование и методы проведения исследований . 60
3.1. Состав сварочных материалов, используемых при проведении исследований. 60
3.2. Методы исследования сварных соединений. 64
3.3. Выбор схем сварки под флюсом с использованием разработанных порошковых проволок. 71
3.4. Сварка под флюсом с дополнительной горячей присадкой . 75
3.5. Двухдуговая сварка под флюсом с порошковой проволокой. 91
3.6. Экспериментальная установка для сварки под флюсом с дополнительной горячей присадкой, содержащей наноразмерные модификаторы. 94
3.7. Выводы по главе 3. 100
Глава 4. Результаты исследований по сварке под флюсом с дополнительной горячей присадкой, в виде порошковых проволок, содержащих наноразмерные частицы 102
4.1. Оценка макроструктуры сварных соединений, полученных с применением наноразмерных модификаторов 102
4.2. Оценка микроструктуры сварных соединений, полученных с применением наноразмерных модификаторов 106
4.3. Результаты испытаний металла шва на стойкость к ударному изгибу. 122
4.4. Результаты фрактографических исследований образцов. 129
4.5. Результаты исследований химического состава образцов. 133
4.6. Анализ полученных результатов 140
4.7. Выводы по главе 4. 143
Общие выводы по работе и заключение 146
Список литературы. 148
- Анализ опробованных схем ввода тугоплавких наноразмерных модификаторов при реализации различных способов сварки
- Моделирование фазового и химического равновесия
- Сварка под флюсом с дополнительной горячей присадкой
- Оценка микроструктуры сварных соединений, полученных с применением наноразмерных модификаторов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время большой объем сварных конструкций, изготавливают из низколегированных, низкоуглеродистых сталей. К таким конструкциям также относятся конструкции, входящие в перечень опасных производственных объектов, к ним предъявляются жесткие требования к качеству сварных соединений, одним из которых является ударная вязкость металла шва и околошовной зоны при отрицательных температурах, а также увеличение стабильности этих характеристик для сварного соединения.
Традиционными способами решения этой проблемы является применение легирования металла шва через сварочные материалы, а также различные технологические меры, направленные на уменьшение перегрева околошовной зоны. Одним из современных перспективных способов управления механическими свойствами металла шва является модифицирование металла шва тугоплавкими частицами наноразмерного диапазона, выступающими в расплаве в роли центров кристаллизации. При этом стоит отметить, что количество вводимых элементов составляет сотые доли процентов от массы расплава.
Перспективность этого способа подтверждается большим количеством научных трудов в области литья, сварки и наплавки. Авторы этих работ отмечают измельчение структуры наплавленного металла функциональных покрытий, увеличение пластических свойств металла шва, на фоне измельчения его структуры. Однако работы в данном направлении носят поисковый характер и в своем большинстве не раскрывают механизм воздействия наноразмерных частиц на структуру и эксплуатационные свойства металла шва и наплавленного металла. В некоторых работах отмечается чувствительность наноразмерных частиц к температурному воздействию. При этом, в основном их вводят в составе электродных материалов, что приводит к существенному перегреву частиц. Для ограничения перегрева наноразмерных частиц при их введении в сварочную ванну, наиболее целесообразно вводить их в составе присадочного материала. Одним из перспективных материалов в данном случае является порошковая проволока, в состав шихты которой входят наноразмерные частицы. При этом появляется возможность подавать наноразмерные частицы в низкотемпературную область сварочной ванны.
Исходя из вышеизложенного, создание сварочного материала в виде присадочной порошковой проволоки, содержащей в своем составе тугоплавкие наноразмерные частицы, является актуальной задачей.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается его выполнением в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по теме «Разработка принципов модифицирования металла шва сварных соединений низкоуглеродистых низколегированных сталей за счет применения наноразмерных частиц» (Соглашение № 14.548.21.0216 от 28.09.2016 г., уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0216).
Цель работы – повышение ударной вязкости металла шва сварных соединений из низкоуглеродистых низколегированных сталей за счет применения порошковых проволок, содержащих наноразмерные тугоплавкие частицы.
Задачи исследования:
-
На основе литературного анализа определить составы тугоплавких соединений, опробованных в качестве модификаторов для дуговых и лучевых процессов сварки и наплавки.
-
На основе термодинамического расчета взаимодействия тугоплавких соединений в условиях сварочной ванны данных определить перспективный способ введения наноразмерных модификаторов в сварочную ванну.
-
Разработать состав присадочной проволоки, содержащей наноразмер-ные тугоплавкие модификаторы и обеспечивающей их транспортировку в хвостовую часть сварочной ванны.
-
Исследовать влияние наноразмерных частиц, вводимых в хвостовую часть сварочной ванны на структуру металла шва при реализации различных схем процесса дуговой сварки под флюсом.
-
Провести экспериментальные исследования, влияния наноразмерных частиц, введенных в сварочную ванну посредством порошковой проволоки, на ударную вязкость металла шва.
-
Разработать технологические рекомендации по использованию нанораз-мерных частиц в качестве модификаторов при дуговой сварке под флюсом.
Методы исследования: результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований. Эксперименты по сварке под флюсом с дополнительной горячей присадкой проводили на модернизированном подвесном автомате для сварки под флюсом. Металлографический анализ структуры сварных швов проводили с использованием оптического микроскопа Биомед ММР-2, Zeiss Axiovert 200. Испытания металла шва на ударную вязкость по Шарпи (с V-образным надрезом) при температуре -20С проводили в соответствии с ГОСТ 6996, с использованием маятникового копра ИО 5003-0,3-1. Фрак-тограммы изломов и химический состав металла шва исследовали с помощью электронных микроскопов VEGA TESCAN II и Gelios. Термодинамический расчет возможных реакций тугоплавких соединений с элементами сварочной ванны проводили с использованием программного комплекса моделирования фазовых и химических равновесий «Terra». Обработку полученных данных проводили с использованием стандартных программ пакета Office и Mathcad.
Ценность выполненных исследований: показана перспективность применения наноразмерных частиц карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия для модифицирования металла шва при автоматической сварке под флюсом с применением порошковых проволок с целью повышения ударной вязкости. Даны практические рекомендации по применению порошковых проволок содержащих наноразмерные частицы. Научная новизна работы:
1. Установлено, что при введении наноразмерных частиц нитрида титана и оксида алюминия в хвостовую часть сварочной ванны в металле шва образуются
микропоры, в связи с диссоциацией вводимых частиц под действием температуры сварочной ванны;
-
Установлено, что наноразмерные частицы карбида вольфрама сохраняют свою стабильность при введении их в хвостовую часть сварочной ванны и приводят к незначительному увеличению среднего значения ударной вязкости металла шва (около 10%), но при этом происходит существенное снижение разброса ее значений на 40% и 86% при введении частиц 0,03масс.% и 0,07масс.% соответственно. Влияние наноразмерных частиц карбида вольфрама на ударную вязкость металла шва связано с уменьшением среднего значения ширины первичных кристаллов металла в 2 раза и снижением разброса этих значений;
-
Применение наноразмерных частиц нитрида титана при их введении через хвостовую часть сварочной ванны приводит к росту среднего значения ударной вязкости металла шва на 43% и 65% при введении 0,03масс.% и 0,07масс.% соответственно, за счет модифицирующего действия сохранившихся нанораз-мерных частиц, а также за счет микролегирования металла шва титаном. При этом наблюдается увеличение разброса значений ударной вязкости, что связанно с наличием микропор, размером не более 12 мкм, в металле шва.
-
Применение наноразмерных частиц оксида алюминия при их введении через хвостовую часть сварочной ванны приводит к росту среднего значения ударной вязкости металла шва на 42% при введении 0,07масс.%, за счет модифицирующего действия сохранившихся наноразмерных частиц, а также за счет микролегирования металла шва продуктами частичной диссоциации оксида алюминия. При этом наблюдается увеличение разброса значений ударной вязкости, что связанно с наличием микропор, размером не более 17 мкм, в металле шва.
На защиту выносятся:
-
Результаты моделирования, подтверждающие возможность химического взаимодействия тугоплавких соединений карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия с элементами сварочной ванны;
-
Результаты экспериментальных исследований, направленных на определение технологических возможностей дуговой сварки под флюсом с дополнительной горячей присадкой;
-
Результаты исследований влияния наноразмерных частиц WC, TiN и Al2O3 на структуру металла шва, при их введении через электродную и присадочную проволоку;
-
Результаты исследования влияния наноразмерных частиц WC, TiN и Al2O3 на ударную вязкость металла шва, при их введении через электродную и присадочную проволоку.
Практическая значимость: предложен вариант введения наноразмерных частиц карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия в хвостовую часть сварочной ванны при автоматической сварке под флюсом. Показана нецелесообразность использования предложенных порошковых проволок в качестве электродных при сварке под флюсом. Установлено, что количество порошковой проволоки, подаваемой в хвостовую часть сварочной ванны не должно превы-
шать 50% от наплавленного металла в связи с нарушением формирования сварного шва. Результаты работы были использованы при разработке электродной и присадочной порошковой проволоки, содержащей наноразмерные частицы в шихте.
Достоверность результатов и выводов подтверждается использованием апробированных методик, современного поверенного оборудования, совпадением расчётных и экспериментальных данных.
Апробация работы: основные положения работы докладывались на научном семинаре кафедры технологий сварки и диагностики МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2016 г.), Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2015 и 2016 г.). Международной научно-практической конференции «Технические науки: научные приоритеты ученых» (г. Пермь, 2016), III Международной научно-практической конференции «Новые технологии и проблемы технических наук» (г. Красноярск, 2016 г.)
Публикации: по теме диссертации опубликованы 6 научных работ, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (общий объем 1,39 п.л.).
Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов по работе и заключения, списка литературы из 84 наименований. Диссертация представлена на 156 страницах и содержит 71 рисунка и 20 таблиц.
Анализ опробованных схем ввода тугоплавких наноразмерных модификаторов при реализации различных способов сварки
Примером применения такого принципа модифицирования при сварке сталей может служить сварка под флюсом с дополнительной порошковой присадкой [22].
К минусам применения модификаторов этого типа можно отнести большую вероятность увеличения загрязнения металла неметаллическими включениями, в основном оксидами [20], а также потребность выдерживания определенного темпа охлаждения расплава.
Тугоплавкими частицами называют элементы и их соединения, температура плавления которых значительно превышает температуру плавления основного расплава. При наличии в расплаве таких частиц, они облегчают образование кристаллов и способствуют увеличению числа готовых центров кристаллизации, вокруг которых образуются и растут кристаллиты. При этом тугоплавкие частицы могут, как образовываться непосредственно в расплаве из отдельных компонентов [23–26], так и вводиться извне в готовом виде [13,15,19]. Для образования в расплаве тугоплавких частиц требуется соблюдение определенных пропорций химических элементов, вводимых в расплав сварочной ванны, а также соблюдение определенных темпов охлаждения расплава.
Например, в работе [19] показано, что при введении модификаторов (Ti) через сварочную проволоку в количестве около 0,5% эффект модифицирования проявляется только по механизму сдерживания роста зерна, что связано с перегревом капель электродного металла и дезактивацией вводимого модификатора. Свидетельством воздействия модификатора по этому механизму является существенное измельчение структуры при увеличении склонности к хрупкому разрушению. В то же время при введении сотых долей процента (0,008 – 0,018%) того же модификатора через керамический флюс, наблюдается интенсивное измельчение структуры металла шва и рост ударной вязкости. Это связано с тем, что значительная доля модификатора попадает в сварочную ванну, минуя дуговой промежуток и осаждается в периферийных, наиболее холодных участках сварочной ванны.
Тугоплавкие частицы, вводимые извне, обладают большим потенциалом, так как их количество в расплаве сварочной ванны зависит от того, сколько их было введено изначально.
Необходимыми требованиями к такого рода модификаторам являются их полное смачивание и сходство кристаллической решетки с решеткой основного металла [16]. Кроме того, размер вводимых частиц должен быть достаточно большим для образования зародыша кристаллизации и одновременно не ослаблять структуру закристаллизовавшегося металла. Согласно данным работ [21] и [27] оптимальный размер частиц лежит в области от 10 до 500нм. Способ модифицирования расплава введением готовых тугоплавких модификаторов стал возможным относительно недавно, с появлением апробированных технологий получения тугоплавких наноразмерных частиц.
Примером тугоплавких частиц являются оксиды, нитриды, карбиды различных металлов, таких как Ti, W, Al, V и т.д.
С точки зрения применения такого рода модификаторов в области сварочного производства наиболее предпочтительным является использование именно тугоплавких частиц, вводимых извне. При этом необходимо соблюдать следующие условия: - исключить перегрев вводимых модификаторов; - размер вводимых модификаторов должен лежать в диапазоне от 10 до 500 нм.; - количество вводимого модификатора не должно превышать 0,5%. В этом случае будет достигаться измельчение структуры металла шва без ослабления межзеренного пространства хрупкими фазами. Таким образом, необходимо определить схему ввода тугоплавких частиц наноразмерного диапазона удовлетворяющую перечисленным требованиям.
Влияние содержания титана и способа его введения в сварочную ванну на характер структуры и ударную вязкость сварных швов [19]
Анализ опробованных схем ввода тугоплавких наноразмерных модификаторов при реализации различных способов сварки За последние годы было опубликовано большое количество статей [23,27– 54]посвященных модифицированию металла шва и наплавленного металла наноразмерными тугоплавкими частицами при реализации сварочных процессов. Всеми авторами отмечается положительное воздействие модификатора на эксплуатационные свойства и размер зерна наплавленного металла. Так были опробованы различные способы сварки и наплавки с введением наноразмерных модификаторов при реализации таких процессов как: 1) Ручная дуговая сварка и наплавка плавящимися покрытыми электродами. 2) Полностью механизированная сварка под слоем флюса. 3) Полностью механизированная дуговая сварка в инертном газе вольфрамовым электродом. 4) Частично механизированная дуговая сварка в защитном газе плавящимся электродом. 5) Лазерная сварка. 6) Плазменно-порошковая наплавка. 7) Электрошлаковая сварка. В качестве основного материала были опробованы низкоуглеродистые низколегированные стали, сплавы на основе никеля, алюминия, титана, коррозионностойкие стали и т.д.
Для решения проблемы доставки наноразмерных частиц в сварочную ванну были использованы различные приемы, однако общим для подавляющего числа исследователей стало использование композиционных гранул [28–30,35,38]. Композиционными гранулами (КГ) называются частицы, представляющие собой механическую смесь наноразмерных тугоплавких частиц и микроразмерных частиц чистых металлов, таких как железо или никель. КГ производят путем совместной обработки микроразмерных и наноразмерных частиц, а также металлических шариков, в высокоэнергетической планетарной мельнице. Таким образом, твердые частицы наноразмерного диапазона механически внедряются в поверхностные слои мягкой частицы-носителя. По литературным данным максимальное количество наноразмерных частиц составляет 30 масс.% от общей массы смеси при использовании порошка никеля в качестве носителя и 4,5 масс.% при использовании порошка железа. Это соотношение связано с надежностью сцепления частиц с частицей-носителем при максимальном их количестве. Способ получения композиционных гранул был предложен Анучкиным С.Н. [55].
Моделирование фазового и химического равновесия
При высокой температуре (порядка 500-800 C или 773-1073 К) разъедается окислами железа (Fe2O3), марганца (MnO) и кремния (SiO2) [65].
Оксид алюминия (Al2O3) подразделяется по строению кристаллической решетки на - и - модификации: -Al2O3 и - Al2O3. Формы оксида алюминия – соединения переменного состава, не имеющие четко определенного кристаллохимического строения и однозначной брутто-формулы. Все промежуточные модификации оксида алюминия имеют плотную кубическую или близкую к ней упаковку атомов кислорода, а различия заключаются в различном расположении катионов.
Решетка -Al2O3 очень близка по строению к решетке шпинели (MgAl2O4), представляющей собой кубическую плотную упаковку [66].
Корунд -Al2O3 является термодинамически стойким. Температура плавления составляет 2050 C (2323 К). Как известно, сварочная ванна характеризуется неравномерным распределением температуры по объему. В кратерной зоне сварочной ванны, которая непосредственно контактирует со сварочной дугой, температура расплава сварочной ванны будет выше, чем в хвостовой части сварочной ванны, в которой происходит кристаллизация. Измерение температуры сварочной ванны является нетривиальной задачей, осложнённой высокими абсолютными значениями, близостью дугового разряда, а также наличием жидкой шлаковой ванны, покрывающей расплав сварочной ванны при сварке под флюсом. В соответствии с работой [67] температура жидкого металла в хвостовой части сварочной ванны вблизи фронта кристаллизации близка к температуре плавления металла, а температура расплава сварочной ванны на поверхности расплавленного металла вблизи сварочной дуги может достигать 2300C (2573 К) для углеродистых сталей. При этом температура расплава сварочной ванны на фронте кристаллизации может быть ниже температуры плавления свариваемого металла вследствие кристаллизационного переохлаждения. Теоретическое распределение температур в сварочной ванне при сварке под флюсом соответствует Рис. 2.2., где максимальная температура составляет 3000C (3273 К) [67].
Таким образом, хвостовая часть сварочной ванны вблизи фронта кристаллизации характеризуется минимальной температурой расплава (около 1800 К, для углеродистых сталей). Тогда как, кратерная зона сварочной ванны, находящаяся в непосредственном контакте с дуговым разрядом, характеризуется максимальной температурой расплава сварочной ванны (около 3273 К для углеродистой стали).
Несмотря на то, что согласно литературным данным соединения являются устойчивыми при повышенных температурах, не исключена возможность их взаимодействия с элементами, входящими в состав сварочной ванны при более низких температурах. Для оценки возможности такого взаимодействия необходимо воспользоваться термодинамическим расчетом возможных химических реакций. Рис. 2.2. Распределение температуры по длине сварочной ванны [67]
Как известно в состав сварочной ванны входит большое количество различных элементов как присутствующих в основном металле в виде примесей, так и элементов, вносимых через сварочные материалы. При том в самой ванне протекают реакции окисления и восстановления элементов, образование промежуточных соединений и их распад. Кроме того, при сварке под флюсом имеют место реакции, протекающие в зоне контакта жидкой ванны с расплавленным флюсом. В работе Н.Н. Потапова [67] описаны наиболее характерные реакции, протекающие в различных участках сварочной ванны в зависимости от составов используемых флюсов и присадочных материалов.
Так для низкоуглеродистых низколегированных сталей наиболее характерными реакциями, протекающими в хвостовой части сварочной ванны при содержании в сварочном флюсе кремния (Si) и марганца (Mn), будут реакции окисления кремния и марганца кислородом, растворенным в жидком металле и связанным в виде окислов железа: Si + 2O = SiO2; (2.3) Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe; (2.4) Mn + O = MnO; (2.5) Mn + FeO = MnO + Fe; (2.6) Таким образом, отмечается присутствие в хвостовой части сварочной ванны таких элементов как: кремний (Si), марганец (Mn), кислород (O2) в несвязанном виде. Взаимодействие этих и других химических элементов, входящих в состав расплава сварочной ванны в присутствии наноразмерных модификаторов может происходить различным образом. Экспериментальный способ исследования процессов такого рода является достаточно трудозатраным и дорогостоящим, а зачастую и вовсе не осуществим.
При проведении исследований, связанных с физико-химическим взаимодействием элементов при высоких температурах, зачастую прибегают к моделированию их взаимодействия с привлечением математического аппарата равновесной термодинамики. В таком случае задача сводится к анализу термодинамической системы, взаимодействие которой с окружающей средой заключается в обмене энергией и веществом. Термодинамическая система, изолированная от внешних воздействий, стремится к термическому, механическому и химическому равновесию (выравниваются температура и давление, а все возможные реакции проходят до конца).
Расчет такого рода систем представляет собой сложную задачу, так как объем вычислений для расчета нескольких систем достаточно большой.
Однако на сегодняшний день для оценки возможности протекания реакций в сложных системах имеется специально разработанное в МГТУ им. Н. Э. Баумана программное обеспечение «Terra». Программное обеспечение разработано при участии доктора технических наук, профессора Б. Г. Трусова на базе кафедры ИУ-7. Ключевой особенностью данного программного обеспечения является возможность расчета состава фаз, термодинамических свойств произвольных систем с химическими и фазовыми превращениями. Она позволяет моделировать предельно равновесные состояния с использованием модели идеального газа. Конденсированные фазы могут быть описаны в виде несмешивающихся однокомпонентных фаз, идеальных и регулярных растворов. Программа позволяет определить соединения, которые могут быть образованы из химических элементов, входящих в систему с учетом их массовых или молярных долей.
В качестве граничных условий, при которых находятся параметры равновесия системы, задаются два значения из числа следующих: давление, температура, удельный объем, энтропия, энтальпия, внутренняя энергия. Условия могут быть заданы в виде интервала, сам интервал, можно разбить на участки. Например, для расчета системы в интервале от 300 К до 1300 К с шагом 50 К.
Таким образом, данное программное обеспечение позволяет выполнить расчет возможных реакций тугоплавких соединений с элементами, входящими в расплав сварочной ванны в зависимости от температуры при атмосферном давлении в рассматриваемой области ванны, а также в зависимости от массового количества каждого из элементов.
Сварка под флюсом с дополнительной горячей присадкой
Значение доли участия присадочного материала в наплавленном металле не является технологическим параметром. В данном случае интерес представляет отношение между количеством присадочной и электродной проволоками в металле шва. Поэтому, полученные результаты были пересчитаны. Таким образом с целью обеспечения отсутствия дефектов, при формировании однослойного сварного шва, отношение количества присадочной проволоки к электродной не должно превышать значения 120%, а при многослойном сварном шве - 100%.
Данные, полученные в ходе исследований влияния дополнительных параметров режима сварки под флюсом с применением ДГП в виде порошковой проволоки, позволяют определить диапазон параметров режима сварки, обеспечивающих стабильное формирование сварного шва. При подборе параметров режима для сварки под флюсом необходимо учесть следующие ограничения: процесс сварки должен обеспечивать формирование сварного шва с геометрическими параметрами в соответствии с ГОСТ 8713 (Рис. 3.3.), при этом подобранные параметры должны давать возможность варьирования количества вводимых наноразмерных частиц.
При использовании скорости подачи присадочной проволоки менее 5,4 м/мин доля участия присадочной проволоки в наплавленном металле не превышает 30%, при этом доля участия присадочной проволоки в объеме сварочной ванны составляет не более 10%, а значит, количество наноразмерных частиц, введенных в расплав сварочной ванны будет составлять не более 0,018 масс.%. Поэтому в дальнейших исследованиях минимальную скорость подачи присадочной проволоки ограничили значением 5,4 м/мин, при котором ожидается, что количество наноразмерных частиц, введенных в расплав сварочной ванны будет составлять до 0,04 масс.%.
Максимальное значение скорости подачи присадочной проволоки ограничили из соображения допустимой доли участия присадочного материала в наплавленном металле, при которой достигается отсутствие дефектов формирования шва. Допустимая доля участия присадочной проволоки была определена нами ранее и составляет 60%, для однопроходного шва. Поэтому второе значение скорости подачи присадочной проволоки составило 11 м/мин, при этом ожидаемое количество наноразмерных частиц, введенных в расплав сварочной ванны будет составлять до 0,07 масс.%.
Следующим этапом необходимо провести уточнение параметров режима с целью удовлетворения требований ГОСТ 8713. Одним из критериев в данном случае является площадь наплавленного металла, значение которой должно обеспечивать заполнение зазора между свариваемыми плавтинами и формирование усиления. Требуемая площадь наплавленного металла определяется из требований к геометрическим параметрам сварного шва согласно ГОСТ 8713 и находится в диапазоне от 20 до 90 мм2. Такие значения площади наплавленного металла обеспечиваются целым рядом опробованных режимов. Однако при проведении дальнейших экспериментальных исследований при скоростях подачи присадочной проволоки 5,4 и 11 м/мин необходимо обеспечить равенство объемов сварочной ванны, поэтому при увеличении скорости подачи присадочной проволоки необходимо снизить количество электродной проволоки, а значит снизить значение тока дуги.
Для корректировки и уточнения параметров режима, при которых обеспечивается стабильность процесса сварки с формированием сварного шва в соответствии с ГОСТ 8713, были проведены эксперименты, при которых использовали следующие параметры режима: ток дуги 650 – 750А, действующее значение тока подогрева проволоки 320А ±20А и 420А ±20А (которые были определены по результатам предыдущих исследований для скорости подачи присадочной проволоки 5,5 и 11 м/мин соответственно) Остальные параметры были идентичны предыдущим экспериментам. Кроме того, варьировали параметр L, который в отличие от экспериментов по наплавке, определялся как расстояние между электродной и присадочной проволок в плоскости подкладки (Рис. 3.17.) и определяли максимальную скорость подачи присадочной проволоки, при которой вся подаваемая присадочная проволока расплавляется в сварочной ванне при фиксированных остальных параметрах режима.
Результаты исследований позволили установить, что максимальная скорость подачи присадочной проволоки в случае выполнения сварного соединения существенно зависит от значений L и IДГП (Рис. 3.18.). Увеличение значения L на 50% (с 10 мм до 15 мм) приводит к снижению максимальной скорости подачи порошковой проволоки на 15% (при IДГП = 320А) и на 17 % (при IДГП = 420А), а увеличение значения L в 2 раза (с 10 мм до 20 мм.) приводит к снижению максимальной скорости подачи порошковой проволоки на 60% (при IДГП = 320А) и на 32% (при IДГП = 420А). Такая разница в результатах, полученных при наплавке и сварке объясняется различием в методике установки параметра L. За счет угла ввода присадочной проволоки и глубины сварочной ванны, присадочная проволока входит в сварочную ванну на растоянии большем, чем при наплавке. С ростом расстояния L снижается температура сварочной ванны в месте ввода порошковой проволоки в сварочную ванну. Следует отметить, что значение тока, подогревающего присадочную проволоку, оказывает большее влияние на максимальную скорость подачи проволоки, чем значение L, что согласуется с данными, полученными в ходе экспериментов по наплавке. Увеличение тока примерно на 50 % (с 320±20А до 420±20А) приводит к росту максимальной скорости подачи присадочной проволоки более чем в 2 раза. Кроме того, увеличение IДГП снижает влияние L.
Следует отметить, что наибольшую стабильность процесса наблюдали при минимальном опробованном параметре L, поэтому в дальнейших экспериментах значение L было выбрано равным 10+2мм. При таких параметрах обеспечивается максимальная скорость подачи присадочной проволоки 5,4 м/мин и 12,3 м/мин при действующем значении тока IДГП 320А и 420А, соответственно. Однако в дальнейших исследованиях при действующем значении тока IДГП 420А несколько снизили скорость подачи проволоки (до 11 м/мин) для обеспечения допустимой доли участия присадочной проволоки (60%), которая была ранее установлена в ходе исследований при наплавке.
Оценка микроструктуры сварных соединений, полученных с применением наноразмерных модификаторов
Химический анализ изломов МШ, полученного при двухдуговой сварке, показал рост количества кремния и марганца в МШ в связи с переходом этих элементов из шихты ПП. При этом наличие наноразмерных частиц в составе шихты ПП не приводит к изменению количества кремния и марганца в МШ. Кроме того, при фрактографическом анализе изломов были обнаружены сферические (глобулярные) включения (Таблица 20), в состав которых входят элементы, характерные для наноразмерных частиц (WC, Ti, Al), которые скапливаются в плоскости, по которой происходит разрушение.
Глобулярные полости на фрактограммах изломов образцов предположительно формируются за счет выпавшего глобулярного включения, оставшегося на ответной части излома. Такое предположение связанно с наличием в химическом составе стенки полости элементов, использовавшихся в качестве модификаторов (WC, Ti, Al).
Стоит отметить что на поверхностях разрушения образцов с содержанием наноразмерного WC наблюдается меньшее количество включений.
Проведенные исследования по макроструктуре, микроструктуре, оценке химического состава и ударной вязкости металла шва позволяют сделать выводы о поведении наноразмерных частиц WC, TiN, Al2O3 в расплаве сварочной ванны, а также сделать вывод о целесообразности применения той или иной схемы дуговой сварке под флюсом. Кроме того, анализ полученных данных станет основанием о технологических рекомендациях применения наноразмерных частиц.
Введение наноразмерных частиц WC в хвостовую часть сварочной ванны в составе присадочных порошковых проволок, позволяет предотвратить как диссоциацию, так и окисление наноразмернхе частиц. Низкотемпературная зона ввода частиц карбида вольфрама позволяет не допустить диссоциации соединения, а наличие кремния и марганца в составе шихты порошковых проволок позволяет предотвратить окисление этого соединения. Полученные данные подтверждаются как химическим анализом металла шва, отсутствием пор, а также фрактографическим анализом изломов образцов после испытания на ударный изгиб Фрактографический анализ позволил оценить наличие и состав неметаллических включений в металле шва. Кроме того, заметно благоприятное влияние частиц карбида вольфрама на структуру металла шва. Так, при введении частиц карбида вольфрама наблюдается снижение значений ширины первичных кристаллов, а также снижение разброса этих значений. Кроме того, введение частиц карбида вольфрама приводит к росту вязкой составляющей в плоскости излома. Все эти факторы приводят к незначительному изменению средних значений ударной вязкости, но при этом к существенной стабильности этого параметра.
Введение наноразмерныех частиц TiN при введении в хвостовую часть сварочной ванны приводит к частичной или полной диссоциации соединения. Об этом свидетельствует и порообразование в металле шва, а также рост количества кремния в металле шва. Диссоциация нитрида титана приводит к формированию азота и титана, который частично раскисляет металл сварочной ванны, что приводит к сохранению кремния, а частично модифицирует металл сварочной ванны. Азот, выделившийся при диссоциации нитрида титана, формирует газовые поры микронного размера. Появление пор малого размера приводит к увеличению разброса значений ударной вязкости. При этом, следует отметить, модифицирующее действие, которое оказывает нитрид титана на структуру металла шва. Частично сохранившееся наноразмерные частицы нитрида титана, а также микролегирование титаном, приводят к измельчению структуры металла шва, что в свою очередь не может не сказаться на средних значениях ударной вязкости металла шва. Поэтому среднее значение ударной вязкости металла шва увеличивается при введении наноразмерных частиц нитрида титана в хвостовую часть сварочной ванны.
Введение наноразмерных частиц Al2O3 в хвостовую часть сварочной ванны в составе присадочной порошковой проволоки, как же, как и в случае нитрида титана. Приводит к частичной или полной диссоциации соединения. В металле шва формируются поры микронного размера. Однако, наблюдается некоторое модифицирующее действие от ввода таких частиц, при этом стабилизации размеров первичных кристаллов не наблюдается. Эти факторы приводят к тому, что, не смотря на высокое среднее значение ударной вязкости металла шва, присутствует увеличенный разброс ее значений.
Результаты, полученные с применением всех опробованных составов порошковых проволок в качестве электродных по схеме двухдуговой сварки существенно уступают тем показателям по ударной вязкости, которые были получены с применением ДГП. Существенно больший перегрев приводит к интенсивной диссоциации всех соединений еще на стадии капли, в результате чего элементы, способствующие формированию газовых пор, переходят в газовый пузырь, а остальные продукты реакции переходят в расплав сварочной ванны и образуют неметаллических включений в металле шва. Неметаллические включения попадают в плоскость разрушения, при испытании на ударный изгиб, и таким образом приводят к снижению значений ударной вязкости. Лишь при использовании частиц нитрида титана наблюдаются некоторые всплески по значению ударной вязкости.
Таким образом, применение разработанных порошковых проволок в качестве электродных при реализации многодуговых процессов не эффективно. Целесообразно применение разработанных порошковых проволок в качестве присадочных и при реализации схемы сварки с ДГП. При этом, применение наноразмерных частиц карбида вольфрама позволит существенно понизить разброс значений ударной вязкости, а наноразмерные частица оксида алюминия позволят повысить средние значения ударной вязкости металла шва без изменения разброса значений ударной вязкости. Однако, применение оксида алюминия приводит к возникновению микропор. Применение в составе присадочных порошковых проволоках частиц нитрида титана не обоснованно, т.к. эти частицы обладают низкой стабильностью в условиях сварочного процесса.