Автореферат (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 3

При этом происходит выделение газообразных6углерода, азота и кислорода. Расчет, проведенный в присутствии элементов, характерных для сварочной ванны показал, что такие элементы как кремний и марганец не оказывают воздействия на стойкость WC. Соединение начинает диссоциировать при температуре 3150 К, однако проявляет склонность к окислениюрастворенным кислородом. При увеличении количества кислорода свыше 0,5масс.% WC интенсивно окисляется уже при температуре 2100 К. В результатеокисления WC наиболее вероятно образование окисла вольфрама (WO3) и угарного газа (CO), также освободившийся углерод может приводить к образованиютугоплавкого карбида кремния (SiC).

Негативному влиянию кислорода препятствует увеличение количества раскислителей, таких как кремний. Температуравзаимодействия зависит от количества кислорода и кремния и варьируется в диапазоне от 2100 К до 3150 К.TiN также проявляет склонность к взаимодействию с растворенным кислородом. При этом образуется диоксид титана (TiO2) и газообразный азот (N), атакже возможно образование оксида азота (NO2). Температура начала взаимодействия TiN составляет 2050 К при превышении 0,02масс.% растворенного кислорода.

Определено, что диссоциация соединения возможна при температуревыше 1900 К, с образованием тугоплавких соединений силицида титана (TiSi) инитрида кремния (Si3N4).Al2O3 начинает диссоциировать при нагреве до температуры 2200 К. Дальнейший нагрев соединения приводит к образованию низших оксидов (Al2O) исвободного кислорода, что является причиной формирования шлаковой фазы(SiO2 и MnO). При наличии активных раскислителей также возможно образование тугоплавкого соединения никелида алюминия Ni3Al.Таким образом, на основе термодинамического расчета показано, что выбранные тугоплавкие соединения проявляют стабильность при нагреве совместно с элементами сварочной ванны до температур характерных для хвостовой части сварочной ванны.

При этом WC и TiN проявляют чувствительность кналичию кислорода в металле сварочной ванны. Значительный перегрев частицспособен привести к формированию газовой, шлаковой и тугоплавкой фазы.Третья глава содержит данные о материалах, оборудовании и методахпроведения исследований по сварке с дополнительной горячей присадкой (ДГП)под флюсом при использовании порошковых проволок (ПП) с содержаниемнаноразмерных тугоплавких модификаторов.В качестве основных сварочных материалов использовалась комбинацияфлюс-проволока для однопроходной сварки изделий из низкоуглеродистых низколегированных сталей, обеспечивающие состав наплавленного металла(С=0,08%, Si=0,9%, Mn=1,7%).7Наноразмерные частицы вводили в шихту порошковых проволок в составекомпозиционных гранул, которые представляют собой макроразмерные частицыникеля средний размер которых составляет не менее 50 мкм, обработанные совместно с наноразмерными частицами WC, TiN и Al2O3 в высокоэнергетическойпланетарной мельнице.

Композиционные гранулы были изготовлены в ИМЕТим. А.А. Байкова.Полученные гранулы использовались для изготовления ПП, содержащих2,5масс. % композиционных гранул в шихте. Шихта представляет собой: феррокремний и ферро-марганец, а также частицы чистого железа их комбинация подобрана таким образом, чтобы после сварки обеспечивать состав наплавленногометалла типа Г2С. Состав гранул представляет собой 70масс.% никеля и30масс.% наноразмерных модификаторов. Коэффициент заполнения порошковой проволоки диаметром 2мм составил 24 масс.%, таким образом, суммарноемассовое содержание наноразмерных модификаторов составило 0,18% от массыпроволоки.

Для оценки влияния модификаторов кроме ПП, содержащих композиционные гранулы применяли ПП того же состава с содержанием чистого никеля (ПНЭ-1 по ГОСТ 9722) в количестве 2,5масс.% и проволоку сплошного сечения типа Св-08Г2С. Состав опробованных проволок представлен в Таблица 1.Таблица 1.Проволоки, использованные при проведении исследованийТип прово- Тип наполнителя Содержание ни- Содержание модификалокипроволокикеля масс.%тора масс.%ППNi ПНЭ0,6нетППNi+Al2O30,420,18ППNi+WC0,420,18ППNi+TiN0,420,18СпНетнетнетПП – порошковая проволокаСп – проволока сплошного сеченияСхемы введения модификаторов, содержащихся в шихте ПП, и подбор режимов, производили при сварке пластин из низкоуглеродистой стали (Ст3сп поГОСТ 380) за один проход с остающейся стальной подкладкой (С5 ГОСТ 8713).При этом ток основной дуги составлял 650-750А, напряжение 32-34В, а скоростьсварки 45м/мин.Для экспериментального подтверждения данных моделирования, а такжедля оценки влияния различных наноразмерных частиц на ударную вязкость металла шва, были рассмотрены две схемы подачи ПП в сварочную ванну:1- введение проволоки в хвостовую часть сварочной ванны (Рис.1,а)2- введение проволоки при ее контакте со сварочной дугой (Рис.1,б)8а)б)Рис.1.

Схемы ввода порошковой проволокив)При реализации схемы 1 наноразмерные частицы претерпевают минимальныйнагрев, и сразу попадают в хвостовую часть сварочной ванны, гдемогут оказывать влияние на кристаллизацию МШ. При схеме 2 наноразмерныечастицы попадают в высокотемпературную зону дугового промежутка, тем самым имитируя схемы, широко использованные в различных работах. Для реализации обоих схем потребовался подогрев ПП, для стабилизации подачи присадкив сварочную ванну. Однако не удалось обеспечить идентичность параметров шва(площадь поперечного сечения шва, равенство режимов основной дуги), поэтомуот второй схемы отказались в пользу более гибкого варианта:3- введение проволоки при горении дуги на ее торце (Рис.1,в)Таким образом, экспериментальные исследования проводили по двум схемам: 1 и 3, при этом соблюдались следующие требования:- одинаковый объем сварочной ванны.- одинаковая доля участия присадочной проволоки.При реализации схемы 1 необходимо настроить дополнительные параметры режима, к которым относятся: скорость подачи ДГП, значение тока, подогрева ДГП, угол ввода ДГП (α) в сварочную ванну и расстояние от основной дугидо места ввода ДГП в сварочную ванну.

Для определения дополнительных параметров режима потребовались предварительные исследования. Расстояниямежду проволоками определяли, как расстояние между ними, устанавливаемоеперед сваркой при их касании подкладной пластины (Рис.2.).Рис.2. Схема сварки с ДГП, где L – расстояние между проволоками устанавливаемое перед сваркой, Lв – длинна сварочной ванны, α = 60° – угол9ввода ДГП, Vсв – скорость сварки, l – вылет основной проволоки, l’ –вылет проволоки ДГП.Предварительные исследования показали, что максимальная скоростьусвоения присадки сварочной ванной для выбранных режимов сварки достигается на расстоянии (L) 10-12 мм от основной проволоки.Кроме того, с точки зрения формирования сварного шва, доля участия присадочной проволоки в наплавленном металле не должна превышать 50%.

В противном случае наблюдаются несплавления по кромкам и образование острогоугла перехода наплавленного металла к основному металлу, что приводит к появлению шлаковых включений.Опробованные режимы сварки, обеспечивающие качественное формирование сварного шва, представлены в Таблица 2.Таблица 2.Режимы сварки под флюсом с дополнительной горячей присадкойСерияСерия «А»Серия «Б»ПроволокаОсн.ДГПОсн.ДГПСила тока I, A750200650300Род токаDC+ACDC+ACНапряжение U, B3432Скорость подачи Vп, м/ч5,411,2Диаметр проволоки d, мм4242Вылет l (l’), мм35503550Скорость сварки Vсв, м/ч45Доля участия в МШ, %23162441130-140130-140Поперечное сечение шва S, мм2Схема двухдуговой сварки под слоем флюса обеспечивает прохождениемодификатора из расплавленной присадочной ПП в сварочную ванну через дуговой промежуток, при горении дуги на ее торце.

В этом случае дополнительными параметрами режима являются: скорость подачи ПП, значение тока второйдуги, напряжение на второй дуге, угол наклона ПП и расстояние от основнойдуги до места ввода ПП в сварочную ванну. Параметры режима сварки для первой дуги оставили без изменений по сравнению со схемой 1, в то время как дополнительные параметры режима, установленные в ходе предварительных экспериментов, составили: сила переменного тока I=550А, напряжение U=30В, приэтом скорость сварки и скорость подачи порошковой проволоки, а также уголввода и расстояние между дугами, не изменяли по сравнению со схемой 1.

Такимобразом соблюдалось постоянство объема сварочной ванны и количества введённого в нее модификатора.Так для проведения исследований были использованы комбинации сварочных материалов и способы сварки, представленные в Таблица 3.10Образцы после сварки были подвергнуты испытаниям на ударный изгибМШ по Шарпи при температуре испытаний -20⁰С (тип Х по ГОСТ 6996). Результаты механических испытаний были проанализированы с применением методовстатистического анализа в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 8.736 с определением среднего значения и доверительного интервала, обладающего 95.4%вероятностью (±2S) и коэффициента вариации значения ударной вязкости (V).Далее изломы образцов были исследованы при помощи электронного микроскопа, с измерением химического состава.

Долю хрупкой и вязкой составляющих излома оценивали согласно методикам, описанным в ГОСТ Р ИСО 148-1 иРД 50-672. Также были подготовлены шлифы, для исследования влияния наноразмерных частиц на структуру МШ. Для определения характера структуры МШи ОШЗ использовались методики, описанные в ГОСТ 5639, а также определялиширину первичных кристаллов металла шва.Таблица 3.Матрица образцов, выполненных для проведения исследованийγNi,γНМ,СхемаТипДоля участияСостав ДГПмасс.масс.сваркиДГПприсадки в МШ%%БазовыйнетНет000СпСв-08Г2С00ППNi0,0970ППNi+WC16%ППNi+TiN0,0680,03ДГПППNi+Al2O3СпСв-08Г2С00ППNi0,2460ППNi+WC41%ППNi+TiN0,1720,07ППNi+Al2O32-хППNi+WCдуговаяППNi+TiN41%0,1720,07ППNi+Al2O3В главе представлена компоновка оборудования портального типа для автоматизированной двухдуговой сварки под флюсом, модернизированного дляпроведения исследований по сварке с ДГП.