Металлургия дуговой сварки конструкционных сталей и сварочные материалы

14.07.2018
На протяжении всей многолетней истории становления и развития Института электросварки им. Е.О. Патона Академии наук Украины исследованиям и разработке сварочных материалов, созданию соответствующей промышленной технологии и организации производства уделялось постоянное и неослабное внимание.

Разработка покрытых электродов для ручной дуговой сварки началась в институте с 1935 г. Были исследованы процессы стабилизации дуги и созданы электроды со стабилизирующим тонким покрытием для сварки на постоянном и переменном токе. Это позволило повысить производительность сварки по сравнению с электродами с меловым покрытием.

Довоенные исследования института в этом направлении обобщены в работах.

Уже в первые годы существования института механизация сварки считалась важнейшей его задачей.

В 1939-1940 гг. под руководством Е.О. Патона был разработан способ автоматической сварки под флюсом. Первый плавленый флюс АН 1 создан в 1940 г. и использовался в сочетании с кремнемарганцевой проволокой. Производство флюса было организовано на заводе «Пролетарий» в Донбассе. В 1941 г. был предложен высокомарганцевый флюс АН Л.

Большое развитие автоматическая сварка под флюсом получила в годы Великой Отечественной войны. Под руководством Е.О. Патона были разработаны новые сварочные материалы (флюсы АН 2, АША и АШМА, а также соответствующие электродные проволоки), технологии автоматической сварки броневой стали, позволившие создать поточное производство бронекорпусов танков, авиабомб, артиллерийских систем.

Наряду с большой и напряженной работой на оборонных заводах коллектив института продолжал вести научные исследования. В 1942 году В.И. Дятлов обнаружил явление саморегулирования плавления электрода при электродуговой сварке под флюсом. Исследование этого явления Б.Е. Патоном совместно с А.М. Макарой, П.И. Севбо, М.Н. Сидоренко позволило создать портативный, простой и надежный сварочный автомат и использовать простейшие источники питания переменного тока.

Автоматизация процесса сварки позволила быстро нарастить объемы выпуска танков и резко повысить качество сварных соединений.

Б.Е. Патон в годы войны и в первые послевоенные годы выполнил ряд важных исследований в области сварки под флюсом. Эти исследования посвящены изучению процессов нагрева и плавления электрода, размеров электродных капель, устойчивости горения дуги, саморегулирования дуги при сварке плавящимся электродом. Исследованы статические свойства автоматов для сварки под флюсом, предложена методика анализа работы автоматов по статическим вольт-амперным характеристикам. Б.Е. Патон показал, что оптимальные свойства имеет автомат с постоянной скоростью подачи проволоки, укомплектованный источниками питания с быстродействующим регулятором напряжения. Этот вывод послужил основой при создании оборудования для механизированной сварки под флюсом и в защитных газах.

В послевоенные годы Е.О. Патон организовал исследования электрических, тепловых и металлургических особенностей процесса сварки под флюсом, результаты которых опубликованы в монографиях. Отдельные главы этих монографий посвящены исследованиям электрических процессов при сварке под флюсом, принципам действия сварочных головок, регулированию процесса сварки под флюсом. Кроме того, в них рассмотрены особенности тепловых и металлургических процессов при сварке под флюсом, эффективность защиты зоны сварки от воздуха, взаимодействие металла с газами и шлаком, способы регулирования химического состава и свойств металла шва, образование неметаллических включений, металлургические системы флюсов и электродных проволок, современные флюсы для сварки малоуглеродистых и легированных сталей и технологии их промышленного производства.

В последующих работах ИЭС им. Е.О. Патона большое внимание было уделено развитию исследований металлургических процессов сварки под флюсом — образования пор, горячих трещин и неметаллических включений; определению температуры сварочной ванны, изучению характеристик сварочных дуг, измерению температуры и определению составов газов, окружающих дугу, исследованию поверхностных свойств сварочных флюсов и шлаков.

При высоких температурах столба дуги основные реакции должны протекать с большими скоростями, обеспечивающими термодинамическое равновесие. Это положение было использовано при расчете реакций в атмосфере дуг при сварке под флюсом. Предположения о том, что температура сварочной ванны и удельное теплосодержание металла в ней являются функцией теплофизических свойств металла, были подтверждены в работах. Исследования металлургических процессов сварки и наплавки под флюсом, разработка сварочных и наплавочных материалов успешно продолжалась в последующие годы. Ряд исследований обобщены в монографиях.

Бурное развитие машиностроения, строительства и других отраслей народного хозяйства России в послевоенные годы потребовало создания и исследования новых способов сварки конструкционных сталей различных классов плавящимся электродом в защитных газах и их смесях, проволоками сплошного сечения и порошковыми. Необходимо было создать промышленное производство покрытых электродов общего и специального назначения. Остро стал вопрос о необходимости улучшения условий труда сварщиков путем разработки низкотоксичных электродов.

Б.Е. Патон инициировал исследования, необходимые для решения этих задач. Потребовалось углубление знания процессов, происходящих в сварочной дуге, особенностей плавления и переноса электродного металла, испарения металла и шлака и образования сварочных аэрозолей. Необходимо было изучить процессы взаимодействия в системах металл-газ, металл-газ-шлак, образования пористости в сварных швах, легирования металла шва и возможности управления его структурой, массо-переноса водорода в сварных соединениях и образования индуцированных водородом холодных трещин (ИВХТ). Ниже излагаются наиболее важные результаты этих исследований.

Стабильность дуги и перенос электродного металла. Стабильность горения дуги и перенос электродного металла в значительной мере определяются электрофизическими характеристиками дугового разряда, связанными с составом и массой покрытия (флюса, проволоки), режимом сварки, видом тока.

В реальных сварочных дугах первостепенное значение приобретают эмиссионные характеристики электродных покрытий и шлаков. Покрытия (шлаки), интенсивно эмитирующие электроны, обеспечивают более высокую стабильность дуги и устойчивое повторное зажигание дуги переменного тока при низких значениях напряжения зажигания.

Эмиссия положительных ионов необходима для поддержания электропроводности в приэлектродных областях и для компенсации объемного отрицательного заряда у поверхности катода. Благодаря этой компенсации в поддержании электрического разряда могут участвовать термоэлектроны. Электроотрицательные элементы, вводимые в состав сварочных материалов, например фтор, кислород и др., вызывают снижение напряженности электрического поля у катода. Напряженность поля в анодной области и падение анодного напряжения при этом возрастают, что приводит к увеличению глубины провара в случае сварки на токе при прямой полярности.

Электроотрицательные элементы в атмосфере дуги вызывают также сильное контрагирование столба дугового разряда. Оценки, произведенные на основе представлений о локальном термодинамическом равновесии в столбе дуги и канальной модели столба, показали, что снижение температуры на периферии токопроводящего канала должно приводить к обогащению этой области отрицательными ионами. Изменение размеров столба дуги путем введения электроотрицательных элементов в состав сварочных материалов — эффективный путь управления параметрами сварочного процесса.

Перенос электродного металла, особенно если он сопровождается короткими замыканиями дугового промежутка, оказывает значительное влияние на стабильность горения дуги. Для оценки стабильности дуги и переноса электродного металла созданы статистические методы. Дуга переменного тока горит стабильно, если обеспечивается ее надежное повторное зажигание.

Особенности переноса электродного металла при различных способах дуговой сварки изучались многими учеными. Разработана теория переноса электродного металла и проведен анализ сил, действующих на каплю электродного металла.

Предложены критерии оценки переноса электродного металла и стабильности горения дуги. Установлена связь между этими критериями и технологическими характеристиками сварочных материалов.

Использование информационно-измерительных систем (ИИС) позволило автоматизировать сбор и накопление информации, произвести ее математическую обработку в реальном масштабе времени, многократно увеличить объем получаемой информации с одновременным сокращением продолжительности ее обработки.

Накоплен большой экспериментальный материал в отношении стабильности дуги и переноса металла. Исследован ряд систем шлаков, установлены композиции шлаков, обеспечивающие одинаковую стабильность дуги. Это позволяет при разработке электродных покрытий, флюсов, порошковых проволок прогнозировать стабильность дуги, не прибегая к экспериментам.

Повысить стабильность дуги можно, вводя в состав покрытия (флюса) электроположительные элементы или низшие оксиды металлов с переменной валентностью, выводя фториды в наружный слой покрытий, снижая активность SiO2 в шлаке и увеличивая массу покрытия.

Введение легкоионизирующих элементов в покрытие, в сердечник порошковой проволоки, во флюс приводит к повышению концентрации положительных ионов в периферийной области дуги и к уменьшению ее контрагирования вследствие компенсации действия отрицательных ионов, а также к снижению работы выхода электронов из катода. В этом случае необходимое значение плотности тока электронов, выходящих из катода, может быть достигнуто при меньших значениях напряженности электрического поля у катода.

Статистический подход, реализуемый с помощью ИИС, позволяет в реальном масштабе времени дать вероятностную оценку влияния различных факторов (состава сварочных материалов, режимов сварки, вида тока и полярности) на возможность образования пористости в сварных швах, вызванной удлинением дуги, а также оценить влияние индуктивности сварочного контура и формы внешней характеристики источника питания, исполнительных механизмов автоматов и полуавтоматов на перенос металла и стабильность процесса сварки.

Испарение металла и шлака. Образование аэрозолей. Одним из путей улучшения условий труда сварщиков является создание низкотоксичных сварочных материалов. Твердая составляющая сварочного аэрозоля (TCCA) образуется при конденсации паров металлов и шлака. Решающее влияние на состав аэрозоля оказывают условия испарения металла и шлака. Температура капли, ее удельная поверхность и скорость перехода марганца из объема капли к ее поверхности определяют концентрацию марганца в аэрозоле.

Удлинение дуги, увеличение удельной поверхности испарения при измельчении капель ведет к более интенсивному испарению марганца. Основным источником поступления марганца и железа в сварочный аэрозоль является металлический расплав. Наличие на его поверхности пленки шлака препятствует испарению железа и марганца. Интенсивность испарения марганца из расплавленного шлака увеличивается с ростом основности и содержания в нем оксидов марганца. Увеличение основности сварочных шлаков приводит к интенсификации испарения соединений калия, натрия, магния и кальция, при этом значительно увеличиваются валовые выделения ТССА. Для уменьшения валовых выделений TCCA рекомендуется увеличивать в шлаках содержание структурообразующих анионов кремния, титана, и алюминия и снижать содержание катионов-модификаторов — калия, натрия, магния.

В настоящее время предельно допустимая концентрация элементов в воздухе рабочей зоны установлена из предположения, что сварочный аэрозоль представляет собой сумму простых оксидов и соединений элементов. Однако такое представление неверно. Например, марганец и железо могут входить в состав различных соединений: марганец в виде MnFe2O4, MnO-SiO2, MnF2 и др.; железо в виде Fe2O3, MnFe2O4, K3FeF6 и др. Токсичность в значительной мере зависит от валентности марганца и хрома в составе аэрозолей. Чем больше валентность этих элементов, тем выше токсичность ТССА.

Частицы сварочного аэрозоля имеют сложную морфологию и состоят из ядра и оболочки. В состав ядра входят в основном комплексные соединения железа и марганца типа шпинелей, а в состав оболочки — сложные силикаты, фториды. Такое строение частиц характерно для всех сварочных материалов (проволок сплошного сечения, порошковых проволок, электродов). Этот вопрос подробно рассмотрен в работах. Уменьшить валовые выделения сварочных аэрозолей можно за счет обеспечения контроля следующих факторов: поддерживания номинального напряжения сварочной дуги; улучшения шлаковой защиты металла; уменьшения основности шлака; снижения содержания летучих элементов (фтора, калия, натрия) и их соединений в шлаковом расплаве; использования инверторных источников питания, которые ограничивают рост тока при коротком замыкании и снижают температуру капель.

Взаимодействие металла с газами, пористость. Эти процессы изучены в работах и обобщены в работе. Поглощение газов расплавленным металлом определяется в основном составом атмосферы дуги, наличием защитного слоя шлака и его свойствами, температурой металла, кинетикой плавления электрода и переноса металла. Изучен механизм абсорбции газов металлом при дуговой сварке. Показано, что повышение содержания газов в металле сварного шва при сварке на токе при прямой полярности связано с более низкой температурой капель. При обратной полярности температура капель более высокая, увеличивается испарение металла капель, снижается парциальное давление газов на границе металл-газ. Важное значение имеет растворимость газов в металлах и ее температурная зависимость. Обзор исследований растворимости азота и водорода в металлах и сплавах приведен в работах.

Вид температурной зависимости определяется состоянием атмосферы, с которой контактирует газ. В случае контакта с обычной атмосферой в условиях термодинамического равновесия максимальное содержание водорода в металле наблюдается при температуре 2600 К, а при нагреве до более высоких температур снижается из-за интенсивного испарения металла. Как показали расчеты, при контакте железа с водородсодержащей плазмой содержание водорода монотонно снижается с повышением температуры. Это связано, по-видимому, с тем, что при абсорбции газов из обычной атмосферы лимитирующим звеном является диссоциация молекул газа у поверхности металла. В процессе абсорбции из плазмы дугового разряда степень диссоциации определяется температурой дуги, которая слабо зависит от температуры поверхности металла.

Расчеты показали, что в большей части сечения столба дуги HF и ОН полностью диссоциированы. При снижении температуры дуги эффективность связывания водорода фтором или кислородом возрастает, так как при равных давлениях HF и ОН имеют одинаковую степень диссоциации при температурах, различающихся примерно на 1000 К.

Растворению водорода в металле капель и сварочной ванны препятствует связывание его фтором. Наличие HF в атмосфере дуги подтверждено экспериментально. Связывание фтора в атмосфере дуги в соединения со щелочноземельными металлами снижает возможность образования HF и способствует повышению содержания водорода в металле шва. Введение в покрытие электрода, в керамический флюс и сердечник порошковой проволоки карбонатов или высших оксидов марганца и железа либо кислорода в смесь газов приводит к снижению парциального давления водорода в атмосфере дуги и содержания водорода в металле шва.

Предупреждение поглощения азота достигается созданием надежной газовой и шлаковой защиты расплавленного металла капли и ванны. Взаимодействие металла с азотом в условиях сварки рассмотрено в работах. Шлаковый расплав оказывает существенное диффузионное сопротивление поглощению металлом азота из газовой фазы. Выделение газа из шлакового расплава повышает эффективность защиты расплавленного металла от контакта с атмосферой.

Обеспечение газошлаковой защиты расплавленного металла при сварке открытой дугой (электроды, порошковые проволоки) зависит от кинетики диссоциации газообразующих компонентов покрытия сердечника, от объема и поверхностных свойств шлакового расплава. Разработаны расчетно-экспериментальный метод прогнозирования процесса выделения газа из сердечника при высокой скорости нагрева и физическая модель взаимодействия металла с газами. Условия кристаллизации сварочной ванны оказывают большое влияние на конечное содержание газов в металле шва.

Характер перераспределения водорода между сварочной ванной и закристаллизовавшимся металлом определяется в основном скоростью кристаллизации. При скоростях кристаллизации ванны, характерных для основных процессов дуговой сварки, диффузионные процессы в значительной мере подавлены, в металле шва фиксируется количество водорода, близкое к его среднему содержанию в сварочной ванне. Азот имеет меньшую диффузионную подвижность, чем водород, поэтому его диффузионное перераспределение в процессе кристаллизации сварочной ванны еще менее вероятно.

Увеличение скорости кристаллизации ванны приводит к перераспределению водорода в наплавленном металле: увеличивается содержание остаточного водорода, удерживаемого металлом, и снижается доля диффузионного водорода. Это объясняется изменениями структуры металла, степени напряженности решетки и появлением развитой сетки дислокаций.

Водород в сварных швах находится в пересыщенном твердом растворе, во включениях и вакансиях. Проведены исследования закономерностей диффузии водорода в сварных швах. Водород отличается аномально высокой диффузионной подвижностью в металлах по сравнению с другими примесями внедрения. Экспериментальное определение концентрационного поля водорода в сварных швах сопряжено со значительными методическими трудностями. В последнее время получили развитие численные методы, для реализации которых необходима надежная информация о температурно-концентрационных зависимостях параметров диффузии водорода в различных зонах сварного соединения. Использование хроматографического метода позволило разработать методику экспериментально-расчетного определения коэффициента диффузии водорода в сварных швах и сталях в температурном диапазоне 20...200 °C. Получены новые данные о влиянии легирования металла шва марганцем, никелем, молибденом, хромом на диффузионную подвижность водорода. Изучено влияние напряжений и деформаций на водородопроницаемость и диффузию водорода в металле.

Большая диффузионная подвижность водорода в швах, выполненных высокоосновными сварочными материалами, в сравнении с рутиловыми материалами, связана с меньшим количеством «ловушек», удерживающих водород.

Важнейшей проблемой дуговой сварки является предупреждение пористости швов. Изучены составы газов, выделяющихся из сварочной ванны при сварке стали под флюсом, и их влияние на пористость швов. Показано, что, кроме оксида углерода, появление пор может вызывать выделение водорода и азота из кристаллизующегося металла. Определен состав газов и оценено давление водорода в порах, а также изучена кинетика зарождения и роста пузырьков газа в сварочной ванне.

Вероятность образования зародышей пор будет большей для газа, с которым металл имеет меньшее межфазное натяжение ом-г на границе металл-газ. Увеличение межфазного натяжения на границе и ухудшение смачиваемости подложки металлом способствуют образованию устойчивых газовых зародышей. С этими обстоятельствами, по-видимому, связан и тот факт, что хорошо раскисленный металл сварочной ванны способен удержать меньшее количество газов по сравнению с плохо раскисленным металлом.

Отсутствие заметного пересыщения говорит о гетерогенном механизме образования пор в сварных швах. Причиной пористости при сварке электродами с рутиловым и руднокислым покрытиями и порошковыми проволоками подобного типа является главным образом выделение водорода. Водород диффундирует в газовый пузырек из жидкого и закристаллизовавшегося металла.

Введение раскислителей в покрытие и сварочную ванну тормозит десорбцию водорода из ванны, удлиняя процесс дегазации.

Эффективным средством борьбы с пористостью в этом случае является интенсификация процесса газовыделения. Вязкость сварочного шлака не оказывает существенного влияния на стойкость швов против образования пор. Предупреждение пористости, вызванной водородом, достигается за счет снижения содержания водорода в покрытии (флюсе) путем высокотемпературной прокалки, изъятия из покрытия веществ, содержащих кристаллизационную влагу, выбора композиций покрытия (флюса), обеспечивающих связывание водорода в дуге фтором, либо снижения его парциального давления, улучшения защитных свойств шлаков, увеличения массы покрытия, использования двухслойной конструкции электродного покрытия или порошковой проволоки.

Моделирование взаимодействия в многокомпонентных системах металл-таз, металл-газ-шлак. Разработана физическая модель газонасыщения поверхностного слоя металла, находящегося в контакте с низкотемпературной слабоионизированной плазмой. Модель построена на основе кинетической теории газов и учитывает движение ионов, атомов и молекул в объеме плазмы, абсорбцию и десорбцию газа на поверхности металла, взаимодействие сорбционного и десорбционного потоков газа у металлической поверхности, а также диффузионный перенос растворенного вещества в металлическом расплаве.

На основе физической модели создана математическая модель, представляющая собой систему дифференциальных уравнений в частных производных, совместное решение которых позволяет рассчитать параметры процесса поглощения газов в металле в зависимости от характеристик плазмы, длительности нагрева, парциального давления примеси в газе, температуры и других факторов. Для решения системы уравнений массопереноса использовались численные методы. Были проведены расчеты с целью выявления особенностей поглощения азота и водорода железом из плазмы, содержащей в качестве примеси азот или водород. Активизация молекул азота и водорода в плазме (возбуждение, диссоциация, ионизация) качественно изменяет кинетику поглощения их расплавом по сравнению с равновесными условиями: скорость растворения увеличивается на несколько порядков, экспоненциально зависит от температуры плазмы и линейно — от парциального давления водорода.

Разработан алгоритм термодинамического описания высокотемпературных процессов в многокомпонентных гетерофазных системах металл-газ-шлак. Создана компьютерная программа для ЭВМ типа IBM PC/AT, предназначенная для численной оценки влияния температуры, давления и исходного элементного состава системы на равновесный состав взаимодействующих фаз. При этом учитываются множество химических реакций, происходящих между большим количеством химических соединений, которые входят в состав реагирующих фаз, а также при испарении, конденсации, диссоциации и др.

Термодинамический анализ путей снижения содержания водорода в жидкой стали при изменении составов шлаковой и газовой фаз в условиях сварки в углекислом газе показал следующее.

Эффективным способом снижения содержания водорода в жидком металле является введение в газовую фазу SiF4 (на практике этого можно добиться введением в покрытие электродов, в сердечник порошковой проволоки кремнефторидов).

Увеличение окислительного потенциала газовой и шлаковой фаз не приводит к существенному уменьшению массовой доли водорода в жидком металле.

Термодинамический подход был использован при создании самозащитных порошковых проволок на основе оксифторидных систем. Защита расплавленного металла от абсорбции азота воздуха, достигается путем окисления магния и алюминия в сердечнике проволоки и проведения обменных реакций оксидов с фторидами.

Результаты многолетних исследований процессов взаимодействия металла с газами и образования пористости в сварных швах обобщены в монографиях.

Химическая неоднородность, кристаллизационные трещины. Важное значение для разработки совершенных сварочных материалов и эффективной технологии сварки имели исследования первичной кристаллизации и микроскопической неоднородности сварных швов.

Изучены закономерности ликвации элементов в сварных швах на сталях. Получены систематические количественные данные о влиянии углерода, марганца, серы и кремния на дендритную, зональную и слоистую ликвацию марганца, кремния и серы в сварных швах. Предложены пути снижения дендритной ликвации серы. Степень вредного влияния сегрегирующих примесей серы и фосфора на низкотемпературную хрупкость металла шва в основном зависит не от их общего содержания, а от степени сегрегации фосфора в зеренной структуре металла шва, размера, формы и распределения сульфидных включений.

Предложены методы повышения хладостойкости сварных швов. Необходимо максимально ограничить сегрегацию фосфора в зерне аустенита за счет управления его перераспределением в первичной структуре (дополнительным микролегированием); уменьшить количество и размер оксисульфидов в центре аустенитного зерна за счет уменьшения в сварном шве количества кислорода. Исходя из применяемой системы легирования и системы раскисления, необходимо разграничивать примеси по степени их отрицательного влияния на хладостойкость. При использовании систем легирования, содержащих никель или хром, основное внимание следует обратить на содержание фосфора; в случае повышенного содержания кислорода нежелательна примесь серы.

Для исследования ликвационных процессов, происходящих в сварочной ванне и в сварных швах, разработан новый метод оценки химической неоднородности металла швов. По данным рентгеновского микроанализа строятся карты распределения концентраций отдельных элементов. Статистическая обработка информации, представленной на концентрационных картах, позволяет установить распределение частоты встречаемости определенной концентрации элемента и стандартное отклонение распределения, служащего параметром химической неоднородности. С использованием этого метода изучена система легирования Ni-Mn, а также установлены оптимальные концентрации этих элементов в сварных швах.

Неметаллические включения. Закономерности окислительно-восстановительных реакций обусловливаются физико-химическими свойствами покрытий (флюсов), их окислительным потенциалом и основностью образующегося шлака; показателями плавления и переноса электродного металла; закономерностями диффузионной кинетики, определяющими лимитирующие звенья протекания реакции. Суммарная скорость окислительно-восстановительных реакций ограничивается скоростью диффузионного транспорта реагентов к межфазной поверхности. На этой основе построены расчетные схемы окисления или восстановления элемента при сварке. Продуктами окислительно-восстановительных реакций являются неметаллические включения эндогенного типа. Они образуются в металле сварочной ванны и в шве.

Особенности протекания окислительно-восстановительных реакций марганца и кремния в зависимости от состава электродного покрытия и их влияние на количество, состав, форму, дисперсность неметаллических включений и механические свойства металла шва описаны в работах. В работах показана отрицательная роль кремниевосстановительного процесса в снижении показателей пластичности и ударной вязкости металла шва. Определены оптимальные содержания кремния, обеспечивающие максимальную структурную и химическую однородность сварных швов.

Включения могут служить зародышами игольчатого феррита, значительная доля которого в структуре шва обычно связывается с высокой ударной вязкостью. Наличие низших оксидов титана и алюминия на поверхности включений способствует зарождению феррита. Как показали результаты исследований, вокруг включений типа алюмосиликатов или оксидов титана, имеющих слоистое строение, образуется область с повышенной дислокационной плотностью (р = 1*10в12...1*10в14 см-2), что приводит к фрагментации формирующейся структуры на стадии инкубационного периода ее зарождения — участки с низкой плотностью дислокаций (р = 1*10в10 см-2) разделяются областями со значительной (р = 1*10в14 см-2) дислокационной плотностью. В таких зонах первичного зерна образуется структура игольчатого феррита. Мелкодисперсные включения гомогенного состава и крупные включения типа силикатов марганца окружены твердым раствором со значительно меньшей плотностью дислокаций (р < 1*10в10 см-2). В этом случае в пределах первичного зерна образуется структура полигонального феррита. Установлено, что для формирования сварных швов с высоким уровнем показателей вязкости необходимо соблюдать определенный баланс между содержанием кислорода и раскислителей в металле шва.

На основе термодинамических расчетов проанализированы различные способы удаления серы из жидкого железа. Определено, что наиболее эффективным является удаление серы при помощи шлаков с высокой сульфидной емкостью. Исследования кинетики процесса перехода серы из металла в шлак показали, что при сварке можно создать такие условия, при которых возможна глубокая десульфурация металла даже за небольшой промежуток времени, сравнимый с длительностью существования сварочной ванны.

Эксперименты, проведенные на опытных образцах порошковых проволок, подтвердили правильность теоретических выводов.

Пока не существует общепринятого мнения о механизме влияния включений на структурообразование. Поэтому необходимы дальнейшие исследования роли включений в зарождении и эпитаксиальном росте феррита на некоторых кристаллографических плоскостях с малым несоответствием параметров решетки поверхности включений и феррита; разработка методов обеспечения оптимального размера включений, постоянного требуемого содержания алюминия и титана в швах и оптимального содержания кислорода и раскислителей; углубленные исследования механизма зарождения неметаллических включений, в том числе физические и математические модели этого процесса; дальнейшее изучение физико-химического строения шлаковых систем с точки зрения их влияния на образование зародышей включений; дальнейшее изучение роли включений ангстремных размеров в формировании структуры сварных швов; разработка металлургических методов связывания сульфидов марганца и в целом серы в соединения, резко отличающиеся по параметрам решетки от феррита.

Исследование систем легирования и прогнозирование микроструктуры металла шва. Изучению взаимосвязи между составом, структурой и механическими свойствами металла сварных швов и соединений в последние годы уделяется много внимания.

Проведение этих исследований вызвано необходимостью создания материалов для сварки низколегированных высокопрочных сталей. Они посвящены изучению этой взаимосвязи на примере многослойных сварных швов, где можно выделить три характерные структурные зоны: зона крупного зерна, мелкого зерна и столбчатой структуры. В системах легирования Ni-Mn, используемых в сварных швах конструкций, которые работают при низких температурах, повышение хладостойкости металла шва достигается за счет формирования структуры игольчатого феррита, увеличения доли остаточного аустенита, уменьшения доли карбидов, устранения перлита, измельчения частиц второй фазы в зоне столбчатой структуры термообработанных валиков, уменьшения относительной площади зоны крупного зерна до 10...15 % и формирования в ней зернистого бейнита. Такая структура достигается благодаря легированию металла шва никелем и марганцем: 0,5...0,7 % (мас.) Mn; 3,0...3,2 % (мас.) Ni или 1,1...1,3 % (мас.) Mn и 2,1...2,3 % (мас.) Ni. При этом зона столбчатой структуры имеет структуру игольчатого феррита, а вторая фаза представлена островками остаточного аустенита и небольшим количеством мелких карбидов.

Применение высокопрочных сталей для изготовления сварных конструкций, работающих в экстремальных условиях, потребовало оптимизации микроструктуры и механических свойств металла шва.

Содержание легирующих и микролегирующих элементов (марганца, никеля, молибдена, хрома, бора, магния) изменяли в широком диапазоне, с тем чтобы получить металл шва с пределом текучести от 450 до 900 МПа.

Установлено, что показатели механических свойств металла шва определяются несколькими факторами: количественным соотношением феррита игольчатого, зернограничного и феррита со второй фазой; дисперсностью второй фазы, ее типом и морфологией, неоднородностью распределения ее частиц; микронеоднородностью распределения легирующих и примесных элементов. Требуемая прочность и ударная вязкость металла многослойных сварных швов с пределом текучести до 600 МПа достигается при содержании игольчатого феррита в металле шва не менее 70...80 % (об.) и наличии равномерно распределенных островков второй фазы с мартенситно-аустенитной структурой в зоне столбчатой структуры — системы легирования Mn-Ni и Mn-Ni-Mo (до 0,2 % (мае.) Mo). В случае системы легирования Mn-Ni-Mo (предел текучести металла до 800 МПа) повышение прочностных характеристик многослойного шва при сохранении высокой хладостойкости достигается за счет увеличения объемной доли равноосной второй фазы (островки с мартенситно-бейнитно-аустенитной структурой) и равномерно распределенных дисперсных карбидов. При этом необходимо обеспечить постоянство доли игольчатого феррита.

Микролегирование магнием и бором повышает ударную вязкость металла шва за счет изменения дисперсности второй фазы, а также степени химической микронеоднородности по никелю и марганцу. Эффект микролегирования объясняется снижением температуры превращения аустенита и повышением его устойчивости. При системе легирования Mn-Ni-Mo-Cr микролегирование бором и магнием неэффективно.

В последние годы все больше внимание уделяется управлению структурой и свойствами металла шва путем изменения кислородного потенциала флюсов. Изучено влияние этого показателя на степень легирования твердого раствора марганцем и титаном и содержание углерода.

Экспериментальные исследования систем легирования металла шва длительны и трудоемки, поэтому перспективнее проводить расчет и прогнозирование микроструктуры металла сварного шва. Основой расчетов послужила предложенная в работе физическая модель, которая базируется на физических закономерностях формирования микроструктуры низкоуглеродистого низколегированного металла. Модель позволяет учесть пути формирования микроструктуры: прорастание иголок-пластин видманштеттового феррита через весь поперечник зерна и «накалывание» иголок-пластин в результате взаимодействия с зарождающимися на распределенных в теле зерна аустенита включениях игольчатого феррита. Доля игольчатого феррита вычисляется как разность между общим объемом структуры и объемными долями первичного (зернистого), видманштеттового феррита и объемом микрофаз.

Скорость роста различных модификаций феррита находится из расчетных термокинетических диаграмм. С помощью же диаграмм определяются и температурно-временные диапазоны, в пределах которых происходит указанный рост.

Разработанная программа для ПЭВМ типа IBM PC позволяет по заданному химическому составу металла шва рассчитывать изотермические диаграммы распада аустенита и путем наложения кривой термического цикла на эту диаграмму определять температуру начала распада аустенита в условиях непрерывного охлаждения. Исходя из полученных данных производится расчет объемной доли различных составляющих микроструктуры. Расчеты используются для изучения влияния параметров сварочного процесса, химического состава металла шва, размеров первичного аустенитного зерна на соотношение микроструктурных составляющих металла шва. Определены оптимальные размеры аустенитного зерна для обеспечения максимальной доли игольчатого феррита в структуре металла шва. В металле с повышенным содержанием легирующих элементов увеличение размеров аустенитных зерен приводит к росту объемной доли игольчатого феррита.

Сравнение результатов расчета и эксперимента показало, что вычислительный эксперимент позволяет оценивать структурные изменения, связанные с влиянием условий кристаллизации, химического состава металла шва и других факторов.

Использование установки «Gleeble» позволяет успешно сочетать экспериментальное изучение и математическое моделирование превращения аустенита в сварных швах низколегированных сталей.

Индуцированные водородом холодные трещины в сварных соединениях из высокопрочных низколегированных сталей. В ИЭС им. Е.О. Патона в течение многих лет проводятся исследования механизма образования холодных трещин, в том числе индуцированных водородом (ИВХТ). Исследованы кинетика распределения водорода в сварных соединениях, влияние концентраторов напряжений, механизм замедленного разрушения, водородное охрупчивание, а также возникновение водородной хрупкости в металле с ОЦК-решеткой.

Разработаны методы определения содержания диффузионного водорода, положенные в основу международного стандарта. Проведены исследования диффузии и транспорта водорода в металлах, сварных швах и соединениях для оценки влияния условий деформирования и ловушек на характер массопереноса водорода. Предложена гипотеза и разработана физическая модель водородного охрупчивания сталей и сварных швов; разработаны методики оценки влияния водорода, базирующиеся на современных представлениях металлофизики о механизме хрупкого разрушения сталей.

Обзор некоторых исследований, выполненных в ИЭС им. Е.О. Патона HAH Украины по проблеме водорода в сварных соединениях, приведен в работах.

Анализируя эти работы, можно сделать такие выводы.

1. Риск образования ИВХТ может быть оценен с помощью расчета величины углеродного эквивалента Сэкв, характеризующего степень легирования стали. Многочисленные технологические пробы позволяют оценивать качественно комплексное влияние факторов, обусловливающих образование трещин.

2. Чувствительность к образованию ИВХТ зависит от микроструктуры стали. Например, двойниковый мартенсит значительно более чувствителен к охрупчиванию, чем самоотпускающийся низкоуглеродный мартенсит.

3. Нормальная температура наиболее благоприятна для образования ИВХТ.

4. Холодное растрескивание зависит от скорости деформации сварного соединения: чем выше скорость нагружения, тем менее выраженным становится охрупчивание.

5. Главным звеном механизма водородного охрупчивания является поведение зародышевой микротрещины, возникающей в процессе деформации в присутствии водорода. Локализация отрицательного заряда на адсорбированных атомах водорода приводит к снижению уровня нормального напряжения, необходимого для перехода микротрещины к автокаталитическому распространению в поле напряжений, что на макроуровне воспринимается как эффект охрупчивания.

6. Наиболее важными факторами являются эволюция дислокационной структуры при пластической деформации, а также свойства границ зерен, частиц второй фазы, неметаллических включений. Особая роль дислокаций в механизме водородной хрупкости обусловлена тем, что их перемещение — основной механизм пластической деформации и одновременно — наиболее эффективный способ транспортирования водорода в объеме металла.

7. Неметаллические включения, в зависимости от их связи с матрицей, могут действовать с самого начала деформирования как трещины, а хрупкие включения могут сами инициировать зарождение острых трещин.

8. Водород в металле шва и ЗТВ снижает удельную энергию поверхности субмикротрещины. Снижение напряжения хрупкого разрушения пропорционально уменьшению удельной поверхностной энергии металла под влиянием водорода.

9. Понизить восприимчивость сварного соединения к холодному растрескиванию можно путем введения в металл шва ловушек водорода. Ловушками водорода являются различные структурные дефекты такие, как вакансии, дислокации, границы зерен, микро- и макропоры, частицы второй фазы и т. п. Ловушками водорода также могут быть мелкодисперсные равномерно распределенные в структуре стали неметаллические включения и остаточный аустенит.

Новые сварочные материалы. На базе многолетних исследований фундаментальных проблем металлургии дуговой сварки в ИЭС им. Е.О. Патона проводились разработки сварочных материалов и технологий их производства.

Разработаны флюсы для сварки сталей различного назначения, низкотоксичные и высокопроизводительные электроды, порошковые проволоки для сварки в защитных газах и без дополнительной защиты зоны дуги (самозащитные). Организовано крупнейшее в мире промышленное производство сварочных материалов различного назначения. Характеристики этих материалов описаны в многочисленных каталогах и справочниках. Обобщенная информация приведена в работах.

Направления дальнейших исследований. В первых десятилетиях XXI в. сталь остается основным конструкционным материалом. Опережающими темпами будут создаваться новые типы высокопрочных низколегированных сталей, в том числе с особонизким содержанием углерода, теплоустойчивых сталей, сталей для конструкций, работающих при низких климатических температурах, для криогенной техники, высоколегированные стали различного назначения.

Дуговая сварка по-прежнему будет занимать важнейшее положение среди многочисленных способов сварки плавлением. Для создания новых сварочных материалов необходима оптимизация систем легирования металла шва, поиск путей снижения содержания водорода, азота и других вредных примесей в металле швов с целью предупреждения образования различных типов трещин.

Будут совершенствоваться сварочно-технологические свойства материалов с целью снижения пористости, предупреждения кристаллизационных трещин, улучшения провара, формы швов, отделимости шлаковой корки, стабильности горения дуги, снижения разбрызгивания, выделений сварочных аэрозолей.

Дальнейшее развитие получат физическое и математическое моделирование металлургических процессов дуговой сварки. Будут созданы компьютеризированные банки данных и банки знаний, экспертные системы по сварочным материалам различного назначения.

Особое внимание необходимо будет уделить совершенствованию оборудования и технологии производства сварочных материалов, изысканию сырьевых материалов стабильного качества, автоматизации аналитического контроля и технологического сопровождения производства.

Для выполнения этих задач особенно необходимы высококвалифицированные специалисты-металлурги с глубокими знаниями теории сварочных процессов, физики, химии, а также специалисты в области информационных технологий.

Решение этих задач будет способствовать развитию производства сварных конструкций и сварочных материалов нового поколения.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: