Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом)

2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ ................................................................. 4ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5Глава 1. МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА И ОСОБЕННОСТИПРИ РЕАЛИЗАЦИИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ............................................ 111.1.Объект исследования и предъявляемые к нему требования. ............... 111.2.Способы повышения ударной вязкости сварных соединений. ............ 141.3.Описание принципов модифицирования металла шва.

........................ 171.4.Анализ опробованных схем ввода тугоплавких наноразмерныхмодификаторов при реализации различных способов сварки. ............ 221.4.1.Ручная дуговая сварка и наплавка плавящимися покрытымиэлектродами. .............................................................................................. 241.4.2.Полностью механизированная сварка под слоем флюса.

..................... 261.4.3.Ручная дуговая сварка в инертном газе вольфрамовым электродом. . 281.4.4.Частично механизированная дуговая сварка в защитном газеплавящимся электродом. .......................................................................... 301.4.5.Лазерная сварка. ........................................................................................

341.4.6.Плазменно-порошковая наплавка. .......................................................... 351.4.7.Электрошлаковая сварка и наплавка. ..................................................... 361.5.Выводы главы 1. ........................................................................................

381.6.Цель и задачи исследования. ................................................................... 42Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДИФИКАТОРОВ ИМОДЕЛИРОВАНИЕ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ С ЭЛЕМЕНТАМИСВАРОЧНОЙ ВАННЫ ............................................................................ 432.1.Физико-химические свойства тугоплавких соединений,применяемых в качестве модификаторов. ............................................. 432.2.Моделирование фазового и химического равновесия.

......................... 472.3.Термодинамический расчет возможных реакций WC с элементамисварочной ванны. ...................................................................................... 522.4.Термодинамический расчет возможных реакций TiN с элементамисварочной ванны. ...................................................................................... 5432.5.Стр.Термодинамический расчет возможных реакций Al2O3 сэлементами сварочной ванны. ................................................................. 562.6.Выводы по главе 2. ...................................................................................

58Глава 3. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯИССЛЕДОВАНИЙ. .................................................................................. 603.1.Состав сварочных материалов, используемых при проведенииисследований. ............................................................................................ 603.2.Методы исследования сварных соединений. .........................................

643.3.Выбор схем сварки под флюсом с использованием разработанныхпорошковых проволок. ............................................................................. 713.4.Сварка под флюсом с дополнительной горячей присадкой. ................ 753.5.Двухдуговая сварка под флюсом с порошковой проволокой. ............. 913.6.Экспериментальная установка для сварки под флюсом сдополнительной горячей присадкой, содержащей наноразмерныемодификаторы.

.......................................................................................... 943.7.Выводы по главе 3. ................................................................................. 100Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМС ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРИСАДКОЙ, В ВИДЕПОРОШКОВЫХ ПРОВОЛОК, СОДЕРЖАЩИХНАНОРАЗМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ .......................................................... 1024.1.Оценка макроструктуры сварных соединений, полученных сприменением наноразмерных модификаторов ....................................

1024.2.Оценка микроструктуры сварных соединений, полученных сприменением наноразмерных модификаторов .................................... 1064.3.Результаты испытаний металла шва на стойкость к ударномуизгибу. ...................................................................................................... 1224.4.Результаты фрактографических исследований образцов. .................. 1294.5.Результаты исследований химического состава образцов. ................ 1334.6.Анализ полученных результатов.

.......................................................... 1404.7.Выводы по главе 4. ................................................................................. 143Общие выводы по работе и заключение. .............................................................. 146Список литературы. ................................................................................................ 1484СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙНРЧ – наноразмерные частицыКГ – композиционные гранулыОШЗ – околошовная зонаМШ – металл шваПс – проволока сплошного сеченияПП – порошковая проволока5ВВЕДЕНИЕАктуальность работы.

В настоящее время активно ведется строительствоопасных производственных объектов, таких как магистральные нефте и газопроводы, сосуды для хранения нефти и газа, мосты и др. Материалом длястроительства таких объектов являются низколегированные низкоуглеродистыестали. Основная часть сварных соединений таких конструкций выполняется припомощи автоматизированной сварки под слоем флюса, как в заводских, так и вмонтажных условиях.Согласно отраслевым документам к сварным соединениям, опасныхпроизводственных объектов предъявляются повышенные требования к ударнойвязкости металла шва при отрицательных температурах.Среди современных исследователей особое внимание к средствамповышениямеханическихсвойствсварногосоединения,уделяетсямодифицированию металла шва и наплавленного металла тугоплавкимичастицами наноразмерного диапазона.

Исследования в этой области показываютувеличение пластических свойств металла шва и измельчение зерна, за счетрезкогоувеличенияколичестваготовыхцентровкристаллизацииврасплавленном металле. Стоит отметить, что модифицирование частицами,вводимыми извне, стало возможным лишь в последние несколько лет, споявлением на рынке тугоплавких наноразмерных частиц.Однако реализация различных способов сварки опробованных другимиисследователями в основном предполагает прохождение частиц через дуговойпромежуток, кроме того авторами указывается количество вводимых частиц поотношению к сварочным материалам, что делает невозможным определениеколичества частиц необходимых для достижения заданных механическихсвойств металла шва.Исходя из вышеперечисленного предлагается создание порошковойпроволоки, содержащей в своем составе композиционные гранулы на основемикроразмерного порошка никеля, механически перемешанного в планетарной6мельнице с наноразмерными тугоплавкими частицами.

Кроме того, дляисключения влияния сварочной дуги, проволоку необходимо подавать внизкотемпературную зону сварочной ванны в качестве дополнительнойприсадки. Для решения такой задачи подходит способ сварки с дополнительнойгорячей присадкой.Актуальностьвыбраннойтемыдиссертационногоисследованияподтверждается его выполнением в рамках реализации федеральной целевойпрограммы «Исследования и разработки по приоритетным направлениямразвития научно-технического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по теме«Разработка принципов модифицирования металла шва сварных соединенийнизкоуглеродистыхнизколегированныхсталейзасчетприменениянаноразмерных частиц» (Соглашение № 14.548.21.0216 от 28.09.2016 г.,уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0216).Цель работы – повышение ударной вязкости металла шва сварныхсоединенийизнизкоуглеродистыхнизколегированныхсталейзасчетприменения порошковых проволок, содержащих наноразмерные тугоплавкиечастицы.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав иобщих выводов, и списка литературы из 84 наименований.В первой главе описаны основные производственные объекты, на которыеориентирована работа, определены требования к сварным соединениям опасныхпроизводственныхобъектов.Проведенаклассификацияпринциповмодифицирования литой структуры металлов и выделены особенностиприменения модификаторов при сварке.

Определено, что наибольшимпотенциалом обладают тугоплавкие соединения наноразмерного диапазонаработающие по принципу инокулянтов. Произведен анализ публикаций,посвященных модифицированию наплавленного металла и металла швананоразмерными частицами при реализации различных способов сварки.Выбраны наиболее перспективные сварочные материалы, применяемые для7модифицированияметаллашвананоразмернымитугоплавкимимодификаторами. Сформулированы задачи работы.Вторая глава посвящена выбору тугоплавких соединений наноразмерногодиапазона удовлетворяющих требованиям к модификаторам инокулирующеготипа и моделированию их поведения в расплаве сварочной ванны. В качествемодификаторов выбраны такие соединения как карбид вольфрама, нитрид титанаи оксид алюминия.

Моделирование поведения тугоплавких соединенийпроведено на основе термодинамических расчетов фазово-химическогоравновесия системы, включающей в себя непосредственно тугоплавкоесоединение и элементы, входящие в состав сварочной ванны. Определендиапазон температур, при котором тугоплавкие соединения вступают в реакциюс элементами сварочной ванны и возможный состав продуктов взаимодействия.Третья глава посвящена выбору и обоснованию составов сварочныхматериалов в виде порошковых проволок, содержащих наноразмерныемодификаторы.

Определены схемы ввода порошковой проволоки в различныетемпературные области сварочной ванны при реализации сварки под флюсом.Разработана методика исследования образцов изготовленных при помощисварки под флюсом с применением разработанных материалов. Спроектированаи модернизирована лабораторная установка на базе подвесного автомата длясварки под флюсом, обеспечивающая возможность сварки с дополнительнойгорячей присадкой и двухдуговую сварку.В четвертой главе представлены результаты исследований, проведенных всоответствии с разработанной методикой.Методы исследования.