Многолетнее научно-техническое сотрудничество ГП «Завод им. В.А. Малышева» и ИЭС им. Е.О. Патона в области сварки и новых материалов

12.07.2018
Сотрудничество Института электросварки и Харьковского завода им. Коминтерна началось в довоенные годы. В ИЭС исследовалась свариваемость броневых сталей применительно к бронекорпусу танка Т-34.

Это сотрудничество еще более окрепло в Нижнем Тагиле, куда были эвакуированы специалисты ИЭС и Харьковского завода. Специалисты института совместно с работниками заводов приступили к разработке технологии и аппаратуры для автоматической сварки под флюсом броне-конструкций танка Т-34, изготовляемых из кремнемарганцевой брони марки 8С толщиной до 45 мм.

В предельно сжатые сроки была разработана технология скоростной автоматической сварки танковой брони под флюсом, предусматривающая применение переменного тока, кремнемарганцевой (Св-18ГС) и низкоуглеродистой электродных проволок с закладкой в разделку кромок аналогичных присадочных проволок. Для скоростной сварки разработали два варианта флюса: высококремнистый плавленый флюс АН-2 мокрой грануляции и шлаковый флюс АШ, основанный на использовании обогащенного марганцем шлака древесноугольных доменных печей Ашинского металлургического завода. Одновременно с разработкой технологии сварки было спроектировано и изготовлено ряд сварочных установок, оснащенных новыми сварочными головками. В основу конструкции последних положен принцип саморегулирования электрической дуги при постоянной скорости подачи электродной проволоки. Это позволило существенно упростить конструкцию сварочных автоматов и повысить надежность их эксплуатации. Всего на УВЗ было создано и введено в эксплуатацию 15 установок для автоматической сварки под флюсом различных узлов боевых машин Т-34.

Технология автоматической сварки под флюсом основных соединений корпусов и башен танка Т-34, созданная в условиях военного времени, позволила повысить производительность сварки более чем в 5 раз, значительно улучшить качество сварных швов и стала основной для организации поточного производства танка Т-34.

В послевоенный период усовершенствование защиты пошло по пути создания и применения новых хромоникельмолибденовых сталей толщиной до 100 мм. Обладая высокой бронестойкостью, эти стали из-за высокого содержания углерода и наличия в них хрома, никеля и молибдена отличались ухудшением свариваемости, что проявилось в образовании холодных околошовных трещин. По этой причине, а также из-за недостаточной бронестойкости сварных соединений, технология автоматической сварки под флюсом соединений танка Т-34 оказалась непригодной для новых модификаций среднего танка.

Корпус танка Т-54 изготавливался исключительно с применением ручной сварки электродами с сердечником из аустенитной проволоки Св-08Х21Н10Г6. Производительность сварки была низкой, что явилось препятствием для наращивания объемов выпуска машин.

В 1951 г. Правительство специальным постановлением возложило задачу автоматической сварки бронекорпуса танка Т-54 на ИЭС и Харьковский завод им. В. А. Малышева. Для разработки технологии автоматической сварки под флюсом за основу была принята аустенитная проволока Св-08Х21Н10Г6. Швы, выполненные этой проволокой на переменном токе, отличались пониженной сопротивляемостью образованию горячих трещин в металле шва, что вызывало необходимость ограничения доли основного металла в формировании шва.

Отмеченные трудности были преодолены с применением автоматической сварки на постоянном токе прямой полярности. В этом случае доля основного металла в сварном шве существенно уменьшается. Для получения качественных швов разработали новые сварочные материалы: аустенитную проволоку Св-08Х20Н9Г7Т и плавленый низкокремнистый флюс сухой грануляции АН-14. По сравнению с проволокой Св-08X21H10Г6 новая проволока отличалась некоторым пониженным содержанием никеля и хрома, повышением марганца, а также наличием титана. Модифицирующее действие последнего позволило существенно измельчить столбчатое строение металла шва, обеспечив повышенную сопротивляемость образованию горячих трещин.

Применение постоянного тока и флюса сухой грануляции способствовало снижению содержания водорода в наплавленном металле, что обусловливало повышение стойкости околошовной зоны к образованию холодных трещин. При высоком качестве сварных соединений бронеконструкций производительность однодуговой автоматической сварки, по сравнению с ручной сваркой, возросла в 4-5 раз и составила около 20 кг наплавленного металла за 1 ч.

В 1956 г. технология автоматической сварки проволокой Св-08Х20Н9Г7Т под флюсом АН-14 на постоянном токе прямой полярности была внедрена на Харьковском заводе им. В.А. Малышева при изготовлении бронекорпуса танка Т-54 и сварно-литой башни этого танка на Мариупольском заводе им. Ильича. Впоследствии проволока Св-08Х20Н9Г7Т вошла в Государственный стандарт России на сварочные материалы, а флюс АН-14 под маркой АН-22 получил широкое распространение для сварки конструкционных сталей.

В начале 1960-х годов технология автоматической сварки проволокой СВ-08Х20Н9Г7Т под флюсом АН-22 широко применялась при изготовлении бронекорпусов и башен танка Т-55 на Омском машиностроительном заводе. Несколько позже на этом же заводе впервые в отрасли была применена более производительная технология двухдуговой автоматической сварки под флюсом с использованием тех же сварочных материалов, что и при однодуговой сварке. При этом производительность процесса возросла до 30...35 кг наплавленного металла за 1 ч.

Как показали исследования, проведенные в ИЭС им. Е.О. Патона и на Харьковском заводе им. В.А. Малышева, указанный уровень производительности можно достичь и в случае однодуговой сварки за счет удлиненного вылета электрода. При прохождении тока по удлиненному вылету электрода в нем выделяется тепло, проволока разогревается, и скорость плавления электрода возрастает. Для практической реализации этого способа производительной сварки применительно к серийным автоматам были разработаны специальные мундштуки.

К середине 1960-х годов технология автоматической сварки под флюсом проволокой Св-08Х20Н9Г7Т прочно утвердилась на упомянутых заводах для изготовления бронеконструкций танков Т-55 и Т-64. Часть внутренних швов бронекорпусов этих танков выполнялась механизированной сваркой под флюсом. Это позволило довести общий уровень автоматической и механизированной сварки до 60 % и осуществить конвейерное производство бронекорпусов. Сварка отдельных узлов и бронекорпуса при сборе на конвейере выполнялась серийными аппаратами конструкции ИЭС им. Е.О. Патона.

Так как отмеченные технологии предусматривали применение дорогостоящих аустенитных проволок, в ИЭС им. Е.О. Патона проводились исследования по созданию более экономичной технологии автоматической сварки под флюсом. В 1950-х годах была разработана технология автоматической сварки под плавленым флюсом низколегированной проволокой Св-08ГСМТ. Однако внедрить эту технологию при изготовлении бронекорпусов танка Т-64 не удалось из-за необходимости применения предварительного подогрева для предотвращения образования холодных трещин. Значительно позже и только при изготовлении башни танка Т-55 автоматическая сварка под флюсом низколегированной проволокой Св-10ХГСН2МТ без подогрева была применена в бронекорпусном производстве Омского машиностроительного завода.

Способ газоэлектрической сварки в углекислом газе, разработанный сотрудниками ИЭС им. Е.О. Патона совместно с рядом организаций в конце 1950-х — начале 1960-х годов, нашел свое применение и в бронекорпусном производстве. Созданная во ВНИТИ технология механизированной сварки в углекислом газе аустенитной проволокой Св-08Х20Н9Г7Т практически вытеснила механизированную сварку под флюсом. Сварка в CO2 осуществлялась на постоянном токе обратной полярности и по производительности уступала ранее применявшейся сварке под флюсом. Сотрудники ИЭС им. Е.О. Патона и Харьковского завода им. В.А. Малышева показали возможность осуществления газоэлектрической сварки брони аустенитной проволокой Св-08Х20Н9Г7Т в углекислом газе на постоянном токе прямой полярности. Производительность сварки при этом возросла в 1,5 раза без снижения качества сварных соединений. Некоторое повышенное разбрызгивание электродного металла при этом способе сварки удалось существенно уменьшить за счет дополнительного модифицирования проволоки цирконием.

В конце 1970-х — начале 1980-х годов новые, более прочные броневые стали начали изготавливаться с применением способа ЭШП, предложенного в ИЭС им. Е.О. Патона. Сотрудники ИЭС им. Е.О. Патона и ВНИИстали установили, что при сварке новых броневых сталей ЭШП принятыми в отрасли аустенитными материалами ухудшения качества сварных соединений не наблюдалось. Технологические процессы сварки под флюсом АН-22 и в углекислом газе аустенитной проволокой Св-08Х20Н9Г7Т с корректировкой режимов сварки корневых швов стали ведущими и при изготовлении бронекорпусов средних танков последующих модификаций Т-80 и Т-84, выполненных из броневых сталей нового поколения 69Ш, 24Ш, 22Ш.

Все же при использовании проволоки Св-08Х20Н9Г7Т (ЭИ-613), обеспечивающей временное сопротивление разрыву металла шва 600 МПа, ощущалось несоответствие прочностных показателей по сравнению с основным металлом. Кроме того, использование щадящих режимов сварки для повышения технологической прочности соединений привело к снижению производительности.

В середине 1980-х годов в ИЭС им. Е.О. Патона были разработаны новые сварочные материалы. Новый плавленый флюс АН-22М значительно превосходил по сварочно-технологическим свойствам флюс АН-22. Для автоматической сварки под флюсами Ан-22 и АН-22М применялась аустенитная проволока Св-05Х20Н10М2Т (ЭК-67), для механизированной сварки в углекислом газе — порошковая проволока ПП-АНВ9, аналог проволоки Св-05Х20Н10М2Т. Новые сварочные материалы обеспечили более высокие механические свойства и технологическую прочность металла шва (таблица). Прочность металла шва, выполненного новыми проволоками, возросла на 10 %, что при некотором повышении пластичности и вязкости обеспечило более высокие служебные свойства.

Технология автоматической сварки проволокой Св-05Х20Н10М2Т под флюсами АН-22 и АН-22М, а также технология механизированной сварки проволокой ПП-АНВ9 в углекислом газе, после всесторонних испытаний и опытно-промышленной проверки были рекомендованы к внедрению в производство бронекорпусов танка Т-80, изготавливаемого из броневых сталей ЭШП.

В середине 1980-х годов ученые ИЭС им. Е.О. Патона разработали армированную квазимонолитную сталь (AKM) как альтернативный вариант существовавшим броневым сталям ЭШП. Эта сталь не подвергалась ЭШП и отвечала всем требованиям, предъявляемым к танковой броне. В этой стали было уменьшено содержание углерода почти в 2 раза. Это решение без существенного уменьшения системы легирования привело не только к улучшению свариваемости, но и повышению вязкости толстолистовой стали и ее «живучести» как бронекорпусного материала.

Улучшенная свариваемость броневой стали AKM позволила получить высококачественные сварные соединения, выполненные электронно-лучевой сваркой (ЭЛС). По сравнению с дуговой многослойной сваркой брони толщиной до 80 мм ЭЛС выполняется за один проход (рис. 1). Высокие показатели снарядостойкости соединений, полученные ЭЛС, близкие к основному броневому металлу, практически не могут быть достигнуты с помощью дуговых процессов сварки. С применением технологии ЭЛС горизонтальным лучем в ИЭС им. Е.О. Патона был сварен передний узел бронекорпуса танка Т-80 (рис. 2).
Многолетнее научно-техническое сотрудничество ГП «Завод им. В.А. Малышева» и ИЭС им. Е.О. Патона в области сварки и новых материалов

Отдельно остановимся на прогрессивной технологии улучшения комплекса свойств и качества металла применительно к бронеконструкциям методом электрошлакового литья. В конце 1970-х годов ИЭС им. Е.О. Патона совместно с ПО «Ждановтяжмаш» (в настоящее время Мариупольский завод тяжелого машиностроения — МЗТМ), ХКБМ им. А.А. Морозова и заводом им. В.А. Малышева были проведены работы по созданию на основе метода электрошлакового литья (ЭШЛ) технологии получения длинномерных У-образных литых заготовок, включающих элементы различной толщины 20, 45, 60 и 120 мм. Ставили задачу провести сравнительную оценку качества литой высокопрочной среднелегированной Cr-Ni-Mo-V ЭШЛ стали в диапазоне толщин 20... 120 мм. Исходную сталь, типичного для этого класса сталей химического состава, выплавляли в дуговой электропечи. Слитки катали на листы толщиной 45 мм, из которых вырезали расходуемые электроды для ЭШЛ. Переплав производили на печи УШ-100 по схеме с неподвижным поддоном и встречным движением расходуемых электродов. В результате опытных плавок были получены У-образные отливки высотой до 1200 мм и массой 0,5 т.

Химическую однородность отливки оценивали по ее высоте на пробах, отобранных из донной, средней и головной частей, а также по ее сечению (табл. 2). Установлено, что концентрация легирующих элементов остается практически неизменной по всему объему отливки. Исследования показали, что для металла отливки ЭШЛ характерна плотная однородная макроструктура, однотипная во всех сечениях, которая представляет собой четко выраженные столбчатые кристаллы, идущие от поверхности отливки под углом к ее оси. Исходный металл (b = 45 мм) отличается строчечной макроструктурой, образовавшейся вследствие деформации сульфидных включений при прокатке. Из результатов газового анализа металла (табл. 3) следует, что во всех исследуемых сечениях содержание кислорода в металле одинаково и примерно на 20 % ниже, чем в исходном металле; содержание азота в стали осталось практически на прежнем уровне.

Степень загрязненности стали неметаллическими включениями изучали на пробах, вырезанных из осевой и периферийной частей элементов отливки (толщина элементов 20, 45, 60 и 120 мм), а также их исходного катаного металла. Исследования показали, что металл всех изучаемых толщин загрязнен однотипными неметаллическими включениями, однако размеры, форма и распределение их в исходном металле и металле ЭШЛ существенно различны. В прокате включения сульфидов деформированы и имеют вытянутую форму; оксиды типа шпинелей имеют размеры 15...20 мкм (отдельные до 25 мкм), расположение их в основном строчечное. В металле ЭШЛ сульфиды имеют вид округлых и угловатых включений размером до 15 мкм, расположенных разориентированно. Размер оксидов как одиночных, так и в небольших скоплениях (по 3-12 шт.), не превышает 5 мкм.

Механические свойства Cr-Ni-Mo-V стали оценивались на образцах, вырезанных вдоль направления вытягивания литого профиля и перпендикулярно к нему (по ширине элементов отливки), а также на продольных и поперечных образцах исходного катаного металла. Заготовки образцов исследуемого металла подвергались термической обработке (закалка + высокий отпуск) в одной садке. Литой металл перед окончательной термической обработкой подвергался нормализации с высоким отпуском. Кроме того, для выяснения влияния гомогенизирующего отжига на механические свойства металла ЭШЛ заготовки образцов элемента профиля толщиной 45 мм проходили предварительную гомогенезацию. Результаты механических испытаний показали, что металл ЭШЛ имеет более высокие по сравнению с исходным прокатом пластические и вязкостные характеристики, в том числе при отрицательных температурах, причем во всех сечениях механические характеристики практически одинаковы. Последнее свидетельствует о том, что процессы зональной ликвации при кристаллизации отливки полностью подавлены. Аналогичный вывод может быть сделан и о дендритной ликвации, поскольку продолжительный диффузионный отжиг не привел к заметному увеличению механических свойств, за исключением пластичности.

При разработке технологии получения отливок ответственного назначения методом ЭШЛ существует ряд проблем, связанных с формированием литой заготовки, стабильностью процесса ЭШЛ и его экономичностью. Однако главным является вопрос обеспечения качества литого электрошлакового металла и его эксплуатационных характеристик на уровне катаного. Проведенные исследования еще раз подтверждают, что литая высокопрочная среднелегированная Cr-Ni-Mo-V ЭШЛ сталь в диапазоне толщин 20...120 мм по своим механическим свойствам и другим характеристикам не только не уступает катаному металлу открытой дуговой выплавки, но и превосходит его по комплексу вязкостных и пластических характеристик, что создает условия для широкого внедрения металла ЭШЛ в машиностроительных отраслях промышленности.

Сотрудничество ИЭС им. Е.О. Патона и ГП «Завод им. В.А. Малышева» развивается и крепнет и в настоящее время. Среди последних работ следует отметить приварку взрывом трубчатых элементов, лазерное напыление и другие. Многие разработки ИЭС им. Е.О. Патона могут быть востребованы на новом уровне в настоящее время и в будущем.