Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 2

Для решения поставленных задач применялисьрасчетные и экспериментальные методы исследований.Расчетные методы включали в себя моделирование поведения тугоплавкихсоединений карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия в расплавесварочной ванны при помощи программного комплекса моделированияфазового и химического равновесия «Терра», реализующего расчет сложныхтермодинамических систем.8Экспериментальные исследования включали испытания металла шваобразцов изготовленных с применением сварочных материалов, содержащихнаноразмерныемодификаторынаударныйизгибприотрицательныхтемпературах. Также проведены металлографические исследования металла шваи фрактографические исследования поверхностей разрушения с измерениемхимического состава.Достоверность результатов и выводов подтверждается использованиемапробированныхметодик,современногоповеренногооборудования,совпадением расчётных и экспериментальных данных.Ценностьвыполненныхисследований:показанаперспективностьприменения наноразмерных частиц карбида вольфрама, нитрида титана и оксидаалюминия для модифицирования металла шва при автоматической сварке подфлюсом с применением порошковых проволок с целью повышения ударнойвязкости.

Даны практические рекомендации по применению порошковыхпроволок содержащих наноразмерные частицы.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Установлено, что при введении наноразмерных частиц нитрида титана иоксида алюминия в хвостовую часть сварочной ванны, в металле шва образуютсямикропоры, в связи с диссоциацией вводимых частиц под действиемтемпературы сварочной ванны;2. Установлено,чтонаноразмерныечастицыкарбидавольфрамасохраняют свою стабильность при введении их в хвостовую часть сварочнойванны и приводят к незначительному увеличению среднего значения ударнойвязкости металла шва (около 10%), но при этом приводит к существенномуснижению разброса ее значений на 40% и 86% при введении частиц 0,03мас.% и0,07мас.% соответственно. Влияние наноразмерных частиц карбида вольфрамана ударную вязкость металла шва связано с уменьшением среднего значенияширины первичных кристаллов металла в 2 раза и снижением разброса этихзначений;93.

Применение наноразмерных частиц нитрида титана при их введениичерез хвостовую часть сварочной ванны приводит к росту среднего значенияударной вязкости металла шва на 43% и 65% при введении 0,03мас.% и0,07мас.% соответственно, за счет модифицирующего действия сохранившихсянаноразмерных частиц, а также за счет микролегирования металла шва титаном.При этом наблюдается увеличение разброса значений ударной вязкости, чтосвязанно с наличием микропор, размером не более 12 мкм, в металле шва.4. Применение наноразмерных частиц оксида алюминия при их введениичерез хвостовую часть сварочной ванны приводит к росту среднего значенияударной вязкости металла шва на 42% при введении 0,07мас.%, за счетмодифицирующего действия сохранившихся наноразмерных частиц, а также засчет микролегирования металла шва продуктами частичной диссоциации оксидаалюминия.

При этом наблюдается увеличение разброса значений ударнойвязкости, что связанно с наличием микропор, размером не более 17 мкм, вметалле шва.На защиту выносятся:1. Результаты моделирования, подтверждающие возможность химическоговзаимодействия тугоплавких соединений карбида вольфрама, нитрида титана иоксида алюминия с элементами сварочной ванны;2.

Результатыэкспериментальныхисследований,направленныхнаопределение технологических возможностей дуговой сварки под флюсом сдополнительной горячей присадкой. Доля участия ДГП в наплавленном металлене должна превышать 50% для однопроходной сварки и 59% длямногопроходной;3. Результаты исследований влияния наноразмерных частиц WC, TiN иAl2O3 на структуру металла шва, при их введении через электродную иприсадочную проволоку;4. Результаты исследования влияния наноразмерных частиц WC, TiN иAl2O3 на ударную вязкость металла шва, при их введении через электродную иприсадочную проволоку;10Практическая значимость работы заключается в том, что предложенвариант введения наноразмерных частиц карбида вольфрама, нитрида титана иоксида алюминия в хвостовую часть сварочной ванны при автоматическойсварке под флюсом.

Показана нецелесообразность использования предложенныхпорошковых проволок в качестве электродных при сварке под флюсом.Установлено, что количество порошковой проволоки, подаваемой в хвостовуючасть сварочной ванны не должно превышать 50% от наплавленного металла всвязи с нарушением формирования сварного шва. Результаты работы былииспользованы при разработке электродной и присадочной порошковойпроволоки, содержащей наноразмерные частицы в шихте.Апробация работы. Основные положения работы докладывались нанаучном семинаре кафедры технологий сварки и диагностики МГТУ им. Н.Э.Баумана (г. Москва, 2016 г.), Всероссийской конференции молодых ученых испециалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2015 и 2016 г.).Международной научно-практической конференции «Технические науки:научные приоритеты ученых» (г.

Пермь, 2016), III Международной научнопрактической конференции «Новые технологии и проблемы технических наук»(г. Красноярск, 2016 г.).Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 6научных статей, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.11Глава 1. МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА И ОСОБЕННОСТИПРИ РЕАЛИЗАЦИИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ1.1. Объект исследования и предъявляемые к нему требованияВнастоящеевремяактивноведетсястроительствоопасныхпроизводственных объектов, таких как магистральные нефте и газо проводы,резервуары для хранения нефти, мосты. В зависимости от региона в которомведется строительство таких объектов они могут подвергаться значительнымперепадам температур от -50°С до +40°С. Среди материалов, используемых длястроительства таких объектов широко применяются низкоуглеродистыенизколегированные стали, обладающие достаточным запасом пластичности ипрочности.

Стоит отметить, что значительная часть сварных соединений такихобъектов выполняется при помощи автоматической сварки под слоем флюса,притом, как в заводских, так и в монтажных условиях. К сварным соединениямтаких объектов предъявляются требования, связанные с определениемпластичности металла шва и околошовной зоны, такие как: испытания на разрыв,загиб и ударную вязкость, а также требования, связанные с нормами дефектностисоединения. При том единственным испытанием, показывающим возможностьэксплуатации сварных соединений при отрицательных температурах, являетсяиспытание на ударную вязкость с образцами, предварительно охлажденными донеобходимой температуры.

Температура испытания образцов подбираетсясогласно требованиям нормативно технической документации в зависимости оттипа объекта, условий его эксплуатации и используемых материалов.Согласно нормативно технической документации, к сварным соединениямперечисленных выше объектов предъявляются различные требования поударной вязкости металла шва. Так сварные соединения стальных резервуаровдля хранения нефти из сталей с пределом текучести до 360 МПа должныобеспечивать уровень ударной вязкости металла шва не менее 35 Дж/см2 при12испытании образцов с острым надрезом (KCV) при температуре испытаний«минус» 20°С. В Таблице 1 представлены требования к некоторым объектам.Таблица 1.Требования к уровню ударной вязкости металла шва для различныхобъектов№п/пНаименованиеобъекта1.Стальныерезервуары дляхранения нефти2.Магистральныйнефтепровод3.Магистральныйгазопровод4.СтальныеконструкциимостовУдарная вязкость металлашване менее 35 Дж/см2 длясталей с пределом текучестидо 360 МПане менее 50 Дж/см2 длясталей с пределом текучестисвыше 360 МПане менее 49 Дж/см2 для К54(среднее арифмет,минимальное значениеменьше на 5 от номин.)не менее 62 Дж/см2 для К54 –К56 (среднее арифмет,минимальное значениеменьше на 5 от номин.)Среднее 56 Дж/см2, мин 42для К56Среднее не менее 62 Дж/см2минимальное 47 Дж/см2не менее 50 Дж/см2 дляр=8,3…9,8 МПа (минимально37)не менее 34,4 Дж/см2 дляр=1,2…8,3 МПа(минимальное 29,4)Не менее 29 Дж/см2 KCUТемператураСсылкаиспытаний«минус»20 °С[1][2]«минус»20 °С[3][4]«минус»20 °С[5]«минус»40 °С[6]Как видно из Таблицы 1 наибольшее распространение имеют испытания наударную вязкость образцов с острым надрезом (KCV) при температуреиспытания минус 20°С.

Так минимально допустимо значение ударной вязкостина уровне 35 Дж/см2 для резервуаров для хранения нефти и 34,4 Дж/см2 длямагистральных газопроводов.13В рамках предварительных работбыли проведены исследования,направленные на определение уровня ударной вязкости металла шва сварныхсоединений низкоуглеродистых низколегированных сталей, обеспечиваемогосовременными сварочными материалами, при реализации автоматическойсварки под флюсом.Испытания проводили в соответствии с [7] на образцах типа IX и X притемпературе испытаний «минус» 20⁰С.

Образцы изготавливали из сварныхсоединений плоских заготовок толщиной 19 мм из низкоуглеродистой сталитипа Ст3пс. Сварное соединение выполнялось на остающейся подкладкесогласно соединению С19 по [8].Так как при дуговой сварке под флюсом к сварочным материалам относятсяэлектродные проволоки и сварочные флюсы. Следовательно, сочетание этихсварочных материалов определяет химический состав и механические свойстваметалла шва. Для исследований применялись как отечественные, так изарубежные сварочные флюсы.

В Таблице 2 представлены опробованныесочетания проволока/флюс и параметры режима сварки.Таблица 2.Комбинации проволока/флюс и режимы сварки КСС способом АФСварочнаяпроволокаДиаметрпроволоки,ммФлюсPipeliner LA853,2Pipeliner860350-60027-3325-28L613,2LE-860350-60027-3325-28Св-08ГА3,04,03,04,0350-380360-420350-380360-42028-3229-3428-3829-3425-2825-2825-2825-28Св-10НМАUF-02MUF-02MСварочныйСкоростьНапряжение,ток (DC+),сварки,ВАм/чРезультаты исследований ударной вязкости изготовленных образцовпредставлены на Рис.

1.1. Как видно, применением опробованных комбинацийпроволока/флюс возможно обеспечить ударную вязкость металла шва вдиапазоне от 39 до 150 Дж/см2. Однако следует отметить существенный разброс14значений ударной вязкости, который может составлять от 36 до 117% отминимального значения. При этом наибольшие значения ударной вязкости былиполучены для металла шва, выполненного комбинацией проволока/флюс,обеспечивающей модифицирование металла шва молибденом или еголегирование никелем.16014080Δ KCV100604020KCVminKCV, Дж/см²1200Pipeliner 860LE-860UF-02MUF-02MUF-02MUF-02MPipeliner LA-85 3,2L61 3,2Св-08ГА 3,0Св-08ГА 4,0Св-10НМА 3,0Св-10НМА 4,0Рис.

1.1.Ударная вязкость металла шва КСС, выполненных способом АФ притемпературе испытаний «минус» 20°ССущественный разброс значений ударной вязкости, возникающий в рамкаходного сварного шва, является важнейшей проблемой. Это связано снепостоянством химического состава сварочных материалов, а также ростомразмеров дендритов при кристаллизации сварочной ванны большого объема,характерной для сварки под флюсом.Полученные результаты показывают перспективность работ, направленныхна создание сварочных материалов, позволяющих повысить стабильностьзначений ударной вязкости при сохранении средних значений не ниже 50 Дж/см2при температуре испытаний «минус» 20°С.1.2. Способы повышения ударной вязкости сварных соединенийНа настоящее время существует множество способов повышения ударной15вязкости металла шва и околошовной зоны. Их можно разделить натехнологические, металлургические и комплексные приемы.Ктехнологическимприемамотносятсяразличныенаборымернаправленных на управление количеством вводимого тепла и скоростиохлаждения изделий, как во время проведения сварочных работ, так и после них,к ним можно отнести следующие:- подбор параметров режима сварки с целью уменьшения вводимойпогонной энергии (в том числе импульсно дуговые процессы);- выбор последовательности заполнения разделки;- назначение термообработки изделия;- и т.д.Технологические приемы позволяют влиять как на механические свойстваметалла шва, так и на свойства металла околошовной зоны.