Національна академія наук україни

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона

Проценко

Петро Прокопович

УДК 621.791:669.018.2

Підвищення холодостійкості зварних з'єднань ТЕРМІЧНО зміцнених кремнієвомарганцевих сталей

Спеціальність 05.03.06“

Зварювання та споріднені технології”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України Ющенко Константин Андрійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, заступник директора.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник Міходуй Леонід Іванович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідуючий відділом.

Кандидат технічних наук, доцент Сливінський Анатолій Матвійович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри.

Провідна установа: Український державний морський технічний університет, м. Миколаїв.

Захист відбудеться 27.03.2002 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

Автореферат розісланий 25.02.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Кіреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення обсягів використання зріджених газів обумовило необхідність пошуку раціональних рішень по створенню виробів для їх збереження і транспортування з застосуванням низьколегованих масових сталей з досить високим рівнем службових властивостей при низьких температурах (до –70єС). Такому комплексу вимог задовольняють термічно зміцнені кремнієвомарганцеві сталі типу 09Г2С і 09Г2СЮч (?0,2= 450…520 МПа). Однак, через схильність до знеміцнення в зоні термічного впливу (ЗТВ) при існуючих технологіях зварювання плавленням можливість широкого застосування цих сталей для створення таких виробів обмежена. З іншого боку, серійні електродні дроти марок Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-08ГСМТ та ін. за ГОСТ 2246-70, що використовуються при зварюванні конструкційних сталей масового застосування, не забезпечують необхідної ударної в'язкості металу шва за Шарпі при температурах нижче –60єС. При –70єС вона може бути забезпечена, якщо використовувати зварювальні дроти розроблені для високоміцних сталей (?0,2 ?590 МПа), однак система їх легування надто складна і нераціональна для відносно простих за складом кремнієвомарганцевих сталей з ?0,2 = …520 МПа. Обидва названі фактори (ускладнена зварюваність основного металу і відсутність належного електродного матеріалу) визначили наукову задачу пошуку фізико-металургійних і технологічних рішень по забезпеченню працездатності зварних з'єднань у конструкціях з термічно зміцнених низьколегованих кремнієвомарганцевих сталей при температурах експлуатації до –70єС в умовах статичного і ударного навантаження.

Необхідність проведення відповідних досліджень обумовлена наказами Держкомітету України по науці і техніці від 01.03.93 р. № 15 по темі 5.43.08 і від 05.03.94 р. № 39 по темі 04.04.09/001К-3-95, а також темами 37/9 і 37/7 науково-дослідних робіт ІЕЗ ім. Є.О.Патона на 1998-2000 р.р., виконаних відповідно до Постанов бюро ВФТПМ НАН України (протоколи № 20 від 29.01.98 р. і № 7 від 24.04.2000 р.).

Мета роботи. На основі досліджень з вибору раціональної системи комплексного легування металу шва і впливу термічного циклу зварювання на структуру і властивості ЗТВ розробити комплекс фізико-металургійних і технологічних рішень для механізованого дугового зварювання термічно зміцнених кремнієвомарганцевих сталей із границею текучості 450…520 МПа, що забезпечують рівень службових властивостей зварних з'єднань, необхідний для експлуатації при температурах до –70єС.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

- дослідити закономірності впливу основних легуючих елементів і їх сполучень на структуру і властивості металу шва, стійкість горіння дуги і характеристики переносу електродного металу; вибрати раціональну систему комплексного легування металу шва і створити відповідні їй композиції електродних дротів для зварювання в захисних газах і під флюсом термічно зміцнених холодостійких кремнієвомарганцевих сталей;

- дослідити особливості формування структури і властивостей металу ЗТВ і оцінити його опірність утворенню холодних тріщин;

- визначити оптимальні умови дугового зварювання термічно зміцнених холодостійких низьколегованих сталей з метою формування заданої структури і властивостей металу шва і ЗТВ; оцінити вплив термічного циклу зварювання на холодостійкість зварних з'єднань;

- розробити узагальнені рекомендації з технології механізованого дугового зварювання термічно зміцнених кремнієвомарганцевих сталей стосовно до виготовлення відповідальних металоконструкцій, що експлуатуються при температурах до –70єС в умовах статичного і ударного навантаження.

Методика досліджень. Вибір раціональної системи комплексного легування металу шва провели за допомогою інтерполяційних розрахункових моделей статистичною обробкою отриманих експериментальних даних методом багатофакторного регресійного аналізу. Термодинамічну активність легуючих елементів у бінарних і багатокомпонентних розплавах на основі заліза визначали експериментально виміром електрорушійних сил концентраційного гальванічного осередку та ізотермічним калориметруванням. Для оцінки впливу легуючих елементів на стійкість горіння дуги за уточненим рівнянням Саха розраховували ефективні потенціали іонізації систем заліза з відповідними елементами. Експериментальним критерієм стабільності процесу зварювання була розривна довжина дуги. Характеристики переносу електродного металу в дузі вивчали за допомогою електронного аналізатора нестаціонарних процесів, а також швидкісною кінозйомкою дуги, синхронізованою з осцилографуванням параметрів режимів зварювання.

При дослідженні структури і властивостей металу шва і ЗТВ використовували оптичну та електронну металографію, емісійний, спектральний і хімічний аналізи, традиційні методи випробувань механічних властивостей при кімнатній і низьких температурах, дилатометричні зразки-імітатори термічних циклів. Схильність металу шва і біляшовної зони до уповільненого руйнування оцінювали кількісним методом “Імплант” і на технологічній пробі “Теккен”. Холодостійкість металу зварних з'єднань визначали на стандартних зразках за Менаже і Шарпі, а також на спеціальних таврових з'єднаннях (випробування на одиночний удар).

Основна частина досліджень виконана на зразках із сталей 09Г2С і 09Г2СЮч у нормалізованому і термозміцненому стані. Як захисні гази при зварюванні використовувалися СО2 і суміш Ar+25% СО2. При зварюванні під флюсом застосовували стандартні флюси марок АН-348, АН-47 і АН-67.

Наукова новизна. Доведено, що при комплексному легуванні металу шва Si, Mn, Cr, Ni, Mo і Ti кожний з елементів при постійній концентрації інших ефективно сприяє підвищенню міцності і холодостійкості тільки при відносно невисокому сумарному вмісті усіх легуючих елементів – до 3%. У зазначеній композиції марганець і нікель, зміцнюючи низьковуглецевий низьколегований метал шва, можуть сприяти зниженню його холодостійкості при температурі нижче –40єС, якщо концентрація кожного з них перевищить 1,1…1,2%.

На основі результатів досліджень комплексного впливу Si, Mn, Cr, Ni, Mo і Ti на механічні властивості і ударну в'язкість металу шва та з урахуванням отриманих в роботі нових даних про термодинамічну активність цих елементів у зварювальній ванні, їх впливу на стійкість горіння дуги, характер плавлення і перенесення електродного металу, встановлено оптимальні склади електродних дротів для зварювання в захисних газах (СО2; Ar+СО2) і під флюсом. Вони відрізняються від відомих зварювальних дротів обмеженим вмістом кремнію і марганцю, додатковим введенням хрому (0,5...0,7%), нікелю (0,7...0,8%), молібдену (0,3...0,4%), титану (0,1...0,2%), а також тим, що забезпечують необхідний рівень холодостійкості низьколегованого металу шва при температурі –70єС.

Встановлено причину знеміцнення і зниження холодостійкості термічно зміцнених кремнієвомарганцевих сталей у ЗТВ, яка полягає у формуванні під впливом уповільнених швидкостей охолодження грубозернистої феритно-бейнітної структури зі значною кількістю феритної фази.

Встановлена можливість протікання процесу уповільненого руйнування в біляшовній зоні зварних з'єднань низьколегованих термічно зміцнених сталей (?0,2=450…520 МПа) і безпосередній взаємозв'язок цього із вмістом дифузійно-рухливого водню. Доведено, що для сталей цього типу при обмеженому вмісті дифузійного водню в наплавленому металі ([Н]диф?6…7мл/100г) метал ЗТВ не схильний до утворення холодних тріщин.

Встановлено, що можливості регулювання термічного циклу в порівнянні з традиційним дуговим зварюванням у СО2 набагато більше має імпульсне дводугове зварювання, яке забезпечує збільшення швидкості нагрівання металу ЗТВ і зменшує тривалість його перебування при високих температурах у 1,5-3 рази. При дводуговому зварюванні за рахунок імпульсного впливу можна змістити інтервал аустенізації при нагріванні в область більш високих температур і загальмувати процес росту зерна, підвищуючи тим самим холодостійкість металу ЗТВ.

Практична цінність результатів досліджень полягає в розробці вихідних положень з технології механізованого дугового зварювання в захисних газах і під флюсом термічно зміцнених низьколегованих сталей з температурою експлуатації металоконструкцій до –70єС. Оптимізовані склади електродних дротів Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ, оформлені технічні умови на їх виробництво.

Для дугового зварювання термічно зміцнених низьколегованих сталей різних товщин визначені оптимальні швидкості охолодження металу ЗТВ, які складають W6/5=5,5…35,0єС/с. Встановлені діапазони допустимих тепловкладень Qсв=10…36 кДж/см, що забезпечують високі експлуатаційні характеристики зварних з'єднань в умовах низьких температур (до –70єС).

Сформульовано технічні вимоги на створення промислового устаткування для імпульсного дводугового зварювання.

Апробація результатів і публікації. Основні результати роботи повідомлені на міжнародних конференціях: “Високоефективні технології в машинобудуванні”, жовтень, 1998, м.Харків, “Технологія ремонту машин, механізмів і устаткування”, травень, 1999, м.Алушта і “Проблеми забезпечення якості в зварювальному виробництві”, квітень 2001, м.Київ. За темою дисертації опубліковано 8 статей у журналі “Автоматическая сварка”.

Структура дисертації включає вступ, чотири розділи, висновки по розділах, загальні висновки, список використаних джерел з 141 найменування і два додатки. Вона викладена на 127 сторінках машинописного тексту і містить в собі 36 таблиць і 63 рисунки.

У вступі обґрунтована актуальність теми, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

В першому розділі на підставі узагальнення літературних даних вітчизняних і закордонних досліджень проведено аналіз зварюваності низьколегованих конструкційних сталей, а також розглянуті металургійні і технологічні прийоми удосконалення механізованого дугового зварювання в захисних газах і під флюсом термозміцнених кремнієвомарганцевих сталей. Сформульовано мету і завдання розробок, описана методика досліджень.

Другий розділ присвячений дослідженню фізико-металургійних рішень підвищення міцності і холодостійкості низьколегованого металу шва з s0,2=450…520 МПа, вибору раціональної системи комплексного його легування і визначенню композицій електродних дротів для зварювання термічно зміцнених низьколегованих сталей у захисних газах і під флюсом.

В третьому розділі розглянуті особливості формування структури і властивостей металу ЗТВ в умовах термічного циклу зварювання. Оцінено опірність металу ЗТВ утворенню холодних тріщин. Вивчено вплив термічного циклу зварювання на холодостійкість зварних з'єднань. Визначено оптимальні швидкості охолодження металу ЗТВ і встановлені діапазони допустимих тепловкладень, які забезпечують високі експлуатаційні характеристики зварних з'єднань в умовах низьких температур.

В четвертому розділі приведені технологічні рекомендації щодо виготовлення електродних дротів Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ, техніки і режимів зварювання термічно зміцнених холодостійких низьколегованих сталей. Описано досвід практичного застосування і перспективи розвитку розробок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Питанням зварюваності низьколегованих конструкційних сталей підвищеної міцності присвячені роботи багатьох вітчизняних і закордонних дослідників. Доведено, що за реакцією на термічний цикл зварювання низьколеговані сталі більш чутливі, ніж низьковуглецеві. Це виявляється їх схильністю до формування гартівних структур у металі шва і біляшовній зоні та до утворення холодних тріщин. Між тим, загальні закономірності впливу різних сполучень легуючих елементів і режимів зварювання на структуру і властивості металу шва і ЗТВ дотепер не встановлені. Відсутні однозначні технологічні рекомендації з вибору оптимальних складів електродних дротів для дугового зварювання термозміцнених низьколегованих сталей. Обмежена інформація про особливості формування структури і властивостей металу ЗТВ під впливом термічного циклу зварювання.

Вибір раціональної системи комплексного легування металу шва. Службові властивості зварних з'єднань термічно зміцнених холодостійких низьколегованих сталей у значній мірі визначаються хімічним складом металу шва, що за інших рівних умов залежить від складів електродного дроту і основного металу. Попередні дослідження, проведені з застосуванням традиційних зварювальних матеріалів, показали, що жоден з них не забезпечує необхідної холодостійкості металу шва при –70єС на термічно зміцнених кремнієвомарганцевих сталях 09Г2С та 09Г2СЮч. Тому для розробки раціональної системи комплексного легування металу шва використані інтерполяційні розрахункові моделі, що встановлюють залежності механічних властивостей металу шва від концентрації в ньому різних легуючих елементів. На підставі узагальнення літературних відомостей з питання, що розглядається, як вихідні дані для регресійного аналізу вибрали отримані нами результати випробувань більш як 100 зразків зварних з'єднань, виконаних дослідними електродними дротами, які забезпечували концентрацію легуючих елементів у металі шва в межах, %: Mn–0,7…1,3; Cr–0,2…0,7; Ni–0,4…1,0% і Mo–0,15…0,50. Вміст інших елементів при цьому залишався постійним, %: C–0,08; Si–0,45; P<0,03; S<0,03; [O]<0,05; [N]<0,04. За результатами математичної обробки експериментальних даних побудовані відповідні регресійні моделі [sв,s0,2, d, aн КСV–40…-70єС] =¦(C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, P, S, [O], [N]), які ілюструють неадитивний і нелінійний характер впливу легуючих елементів системи 08ХГСНМ на механічні властивості і холодостійкість металу шва (рис.1). Ступінь впливу окремого елемента значною мірою залежить від вмісту інших і в більшості випадків зменшується з підвищенням його концентрації. Найбільш помітний позитивний вплив на холодостійкість металу шва при –40єС і –70єС справляє нікель, а потім хром і молібден. Марганець збільшенню анКСV практично не сприяє. Всі розглянуті легуючі елементи підвищують показники міцності металу шва (s0,2 і sв).

При заданому рівні легування в базовому шві не досягаються необхідні механічні властивості та холодостійкість при –70єС. Аналіз показав, що необхідний комплекс показників міцності, пластичності та холодостійкості металу шва при зварюванні термічно зміцнених кремнієвомарганцевих сталей може бути забезпечений тільки в результаті комплексного його легування марганцем (0,90…1,1%); хромом (0,5…0,6%); нікелем (0,6…0,7%) і молібденом (0,25…0,35%) при обмеженні граничного вмісту вуглецю до 0,08 % і кремнію до 0,45%. Додаткове введення в такий метал шва титану в кількості 0,04…0,08% сприяє підвищенню ударної в'язкості як при –40єС, так і при –70єС. Позитивний вплив титану на холодостійкість металу шва пояснюється здрібненням первинної і вторинної мікроструктури та поліпшенням форми неметалевих включень.

З метою оптимізації складу зварювального дроту проведені дослідження з вивчення термодинамічної активності основних легуючих елементів системи ХГСНМТ, впливу зазначених елементів на стійкість процесу дугового зварювання в захисних газах (СО2, Ar+СО2) і характеристики переносу електродного металу в цих умовах. За результатами дослідів по визначенню термодинамічної активності Si, Mn, Cr, Ni, Mo і Ti у бінарних і багатокомпонентних розплавах на основі заліза зроблені такі висновки:

· з підвищенням концентрації легуючих елементів тільки у молібдену підвищується коефіцієнт термодинамічної активності;

· при введенні в розплав заліза Mn, Cr, Ni, Mo і Ti активність кремнію підвищується на один-два порядка, що дозволяє зменшити вміст Si у металі шва системи 08ХГСНМТ до 0.3...0.4 %;

· в присутності легуючих елементів активність марганцю знижується в 2-5 раз, у зв'язку з чим для забезпечення необхідних механічних властивостей металу шва концентрація марганцю в ньому повинна бути не менше 1%;

· активність молібдену значною мірою підвищується при введенні в розплав хрому і зниженні концентрації кремнію, що і реалізовано в обраній системі комплексного легування металу шва в частині зменшення вмісту молібдену і кремнію.

На підставі розрахунків концентраційних і температурних залежностей ефективного потенціалу іонізації (Uеф) різних систем на основі заліза, розглянуті легуючі елементи умовно розділені на три групи:

· елементи, що знижують Uеф (хром, титан, алюміній, цирконій);

· елементи, що не справляють помітного впливу на Uеф (кремній, марганець, нікель, молібден);

· елементи, що підвищують Uеф (вуглець, сірка, фосфор).

Така класифікація легуючих елементів задовільно корелює з експериментальними даними про розривну довжину дуги і рівнем втрат металу на розбризкування при дуговому зварюванні дослідними електродними дротами. Визначено, що істотний вплив на характеристики переносу електродного металу (tк, mк, nк) при зварюванні в СО2 справляє кремній, потім алюміній і титан (рис.2). Аналогічні результати отримані при зварюванні в суміші Ar + 25 % СО2.

На основі виконаних досліджень з урахуванням коефіцієнтів засвоєння легуючих елементів і частки основного металу у формуванні шва оптимізовані склади комплекснолегованих електродних дротів Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ для зварювання термічно зміцнених холодостійких низьколегованих сталей відповідно в захисних газах і під флюсом (табл. 1).

Таблиця 1. Склади електродних дротів композиції 08ХГСНМТ

Тип легування Масова частка елементів, % Призначення

C Si Mn Cr Ni Mo Ti

08ХГ2СНМТ 0,05… 0,08 0,30… 0,60 1,3 … 1,5 0,5… 0,7 0,7 … 0,8 0,3 … 0,4 0,1... 0,2 для зварювання в захисних газах

08ХГНМТ 0,05… 0,08 0,15… 0,40 1,1 … 1,3 0,5… 0,7 0,7 … 0,8 0,3 … 0,4 0,1… 0,2 для зварювання під флюсом

Найбільш висока ударна в'язкість металу шва термічно зміцненої сталі 09Г2С (анКСV–70єС і45 Дж/см2 ) має місце при зварюванні в суміші Ar+25%СО2 дротом Св-08ХГ2СНМТ. Трохи менші, але достатні значення цього показника (анКСV–70єС =30 Дж/см2) забезпечує даний дріт при захисті дуги вуглекислим газом. Аналогічний характер зміни ударної в'язкості при –40єС і –70єС спостерігається і на сталі 09Г2СЮч. При зварюванні під флюсом найкращі

характеристики міцності (s0,2>480МПа) і висока холодостійкість металу шва (анКСU–70єС=38…62 Дж/см2) досягаються у випадку використання дроту Св-08ХГНМТ і флюсу марки АН-67. Металографічними дослідженнями встановлено, що метал швів, виконаних дротами Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ, характеризується дрібнозернистою структурою, наявністю в ній підвищеної частки голчатого фериту при невеликій кількості бейніту, мартенситу, доевтектоїдного фериту і карбідів легуючих елементів. Розміри неметалічних оксидних і сульфідних включень при цьому менші, ніж у металі швів, зварених стандартними електродними дротами.

Встановлено, що дріт Св-08ХГ2СНМТ за всіма технологічними показниками у широкому діапазоні параметрів режимів зварювання в СО2 і суміші Ar+25%СО2 не уступає, а в деяких випадках перевершує стандартні дроти Св-08Г2С и Св-08ГСМТ. При практично однакових коефіцієнтах розплавлення електродного металу дріт Св-08ХГ2СНМТ забезпечує зниження рівня втрат металу на розбризкування на 30...35% і помітно поліпшує формування швів, особливо при зварюванні на форсованих режимах. При цьому стійкість металу шва проти утворення пор, викликаних азотом, воднем і киснем, збільшується майже в 1,5 рази. Підвищується також стійкість металу шва проти утворення кристалізаційних тріщин. Вона оцінювалась за максимальною швидкістю деформації зразків, при якій тріщини в металі швів у процесі зварювання не з'являються. Менш чітко виражені технологічні переваги дроту Св-08ХГНМТ при зварюванні під флюсом. Тут основна роль комплексно легованого дроту зводиться до підвищення міцності, пластичності і холодостійкості металу шва. Відзначимо, що інтенсивність утворення і питомі виділення ТСЗА при зварюванні в СО2 і суміші Ar+25%СО2 дротом Св-08ХГ2СНМТ трохи менші цих показників для дроту Св-08Г2С.

Особливості формування структури і властивостей ЗТВ. Найбільш істотні зміни структури і властивостей основного металу при зварюванні термічно зміцнених кремнієвомарганцевих сталей відбуваються в ділянках, що безпосередньо примикають до металу шва: сплавлення і перегріву. Тут має місце інтенсивне зростання аустенітного зерна і спостерігаються лікваційні процеси, пов'язані з підплавленням границь зерен. Кінетику структурних і фазових перетворень у цій зоні вивчали при імітації термічних циклів зварювання на зразках із сталі 09Г2СЮч на швидкодіючому дилатометрі. Зразки нагрівали до температури 1350єС зі швидкістю 150єС/с в інтервалі 800…1000єС і охолоджували зі швидкістю W6/5=1,2…60єС/с. На підставі виконаних досліджень побудована термокінетична діаграма перетворень аустеніту в сталі 09Г2СЮч (рис.3). Показано, що під дією нагрівання, яке імітує термічний цикл зварювання, вихідна феритно-мартенситна структура з твердістю HV220 перетворюється в змішану бейнітно-мартенситну структуру з твердістю HV310. При W6/5=60єС/с кількість мартенситу досягає 65%, а при W6/5=8єС/с вона складає не більш 10%. З аналізу термокінетичної діаграми

випливає, що раціональний інтер-вал швидкостей охолодження мета-лу ЗТВ сталі 09Г2СЮч знаходиться в межах W6/5 = 5,5…35єС/с.

Результати випробувань на розтягування імітуючих циліндричних зразків діаметром 6 мм свідчать, що у всьому досліджуваному діапазоні швидкостей охолодження зберігаються досить високі показники пластичності металу ЗТВ: d5=26…32% і y=62…72%. При збільшенні швидкості охолодження зростають і показники міцності металу ЗТВ. Однак при зварюванні з великим тепловкладенням, коли6/5 = 2…7єС/с, sв і s0,2 знижуються відповідно до 530 і 320 МПа. Останнє пов'язане з виділенням в металі ЗТВ феритної фази, формуванням структури верхнього бейніту і ростом аустенітних зерен.

При оцінці опірності металу ЗТВ сталей 09Г2СЮч і 09Г2С утворенню холодних тріщин (метод “Імплант”) виявлено тісний взаємозв'язок технологічних факторів з уповільненим руйнуванням зварних з'єднань. При обмеженому вмісті дифузійного водню в наплавленому металі ([Н]диф.=6…7 мл/100г) метал ЗТВ зазначених сталей не був схильний до уповільненого руйнування. При [Н]диф.= 9…10 мл/100м і досить інтенсивних швидкостях охолодження (W6/5і10єС/с ) мало місце уповільнене руйнування металу ЗТВ, про що свідчило зниження величини критичних напружень руйнування відповідних зразків. Для досягнення високої опірності уповільненому руйнуванню зварних з'єднань сталі 09Г2СЮч технологічні прийоми зварювання повинні забезпечувати обмежений вміст дифузійного водню в наплавленому металі (не більше 7 мл/100г).

Технологічна проба “Теккен” підтвердила ці висновки. При низькій концентрації водню ([Н]диф.=2,5…3,0 мл/100г) холодні тріщини в пробах “Теккен” не утворювалися. Підвищення змісту водню в наплавленому металі до 6,5…7,0 мл/100м приводить до утворення тріщин невеликої довжини, що потім розвиваються протягом тривалого часу (більш 24 годин). При [Н]диф.>9,5 мл/100г процес зародження і розвитку тріщин протікає досить швидко (протягом 1,5…3,0 годин). У цьому випадку не тільки збільшується їхня довжина, але змінюється і траєкторія розвитку. Тріщини найчастіше поширюються від лінії сплавлення в метал шва. Метал кореня шва цілком уражений тріщинами.

Для визначення холодостійкості зварних з'єднань сталі 09Г2СЮч V-образний надріз наносили на стандартні зразки в різних ділянках ЗТВ: сплавлення, перекристалізації і нагрівання до температур нижче точки АС1. Зразки виготовляли із стикових з'єднань металу товщиною 20 мм, зварених у СО2 дротом Св-08ХГ2СНМТ діаметром 2 мм. Режими зварювання забезпечували широкий діапазон швидкостей охолодження металу ЗТВ (W6/5=3,3…38,4єС/с). Встановлено, що при W6/5=5,5…38,4єС/с в зоні сплавлення мають місце відносно високі показники ударної в'язкості при температурі –40єС (анKCV=31…46 Дж/см2). Зниження ан просліджується при W6/5=3,3…5,5єС/с на відстані 3 і 5 мм від лінії сплавлення, що викликано протіканням процесів старіння в умовах температур 200…500єС. При –70єС і W6/5=3,3.…10,8єС/с відбувається істотне зниження холодостійкості металу як у зоні сплавлення, так і на відстані від неї на 3 і 5 мм. Необхідні значення анKCV–70єС отримані при W6/5і23,2єС/с. Випробування таврових зразків на одиночний удар підтвердили це ж значення.

Розробка технічних засобів реалізації результатів досліджень. У роботі визначені граничні значення погонних енергій дугового зварювання термічно зміцнених сталей 09Г2С і 09Г2СЮч в залежності від товщини металу і температури попереднього підігріву (табл. 2)

Таблиця 2. Рекомендовані режими зварювання стикових з'єднань сталей 09Г2С і 09Г2СЮч

Початкова температура, єС Qсв (Дж/см) при товщині металу, мм

5 8 10 20 25 30

20 3…10 6…18 8…20 12…27 13…32 16…36

100 2,5…8 4…16 6,5…18 9,5…21 10…26 12…32

Такі величини погонних енергій забезпечуються при ручному зварюванні покритими електродами діаметром 3...4 мм струмом до 120...160А чи при багатошаровому механізованому зварюванні в захисних газах дротом Св-08ХГ2СНМТ невеликого діаметру (1,0...1,2 мм) струмом до 200А. Обидва процеси зварювання малопродуктивні, що викликало необхідність розробки нового прийому керування структурою і властивостями металу шва і ЗТВ – імпульсного дводугового зварювання. Сутність даного процесу полягає в наступному. На електрично ізольовані один від одного плавкі електроди, які розташовані уздовж осі шва, роздільно подаються імпульси струму регульованої амплітуди, тривалості і частоти. Під їх впливом між кожним з електродів і виробом по черзі формуються дуги, які утворять загальну зварювальну ванну. Для реалізації процесу за участю автора розроблена дослідна установка, яка складається з керованого тиристорного джерела живлення ОИ–126, механізмів роздільної подачі електродних дротів і двоелектродного пальника. Технічна характеристика устаткування передбачає регулювання амплітуди імпульсів струму в межах Iа=150…1000А при діапазоні тривалості проходження імпульсів струму і пауз між ними t1,t2=0,02…2,00с. Частота імпульсів струму 5…50Гц. Температурну обстановку в біляшовній зоні при однодуговому і дводуговому зварюванні досліджували шляхом осцилографування температур нагрівання металу ЗТВ в окремих точках, розташованих на певних відстанях від осі шва. Встановлено, що в умовах імпульсного дводугового зварювання швидкість наростання температур нагрівання різних ділянок ЗТВ значно вища, ніж при однодуговому  зварюванні.  Тривалість  перебування  металу  у високотемпера-турних областях (600…1400єС) при дводуговому зварюванні скорочується в 1,5-3 рази. Для точки, розташованої поблизу зони сплавлення, швидкість охолодження металу W6/5 …12єС/с, що відповідає раніше знайденому раціональному інтервалу W6/5=5,5…35єС/с. Величина погонної енергії при імпульсному дводуговому зварюванні цілком вкладається в оптимальний діапазон, зазначений в таблиці 2 для даної товщини металу.

Осцилографування термічних циклів і металографічні дослідження пока-зали, що ширина ЗТВ, обмежена ізотермою Т = 500єС, при однодуговому і дводу-говому зварюванні дорівнює відповідно 12 і 8 мм. Причому, ширина ділянки перегріву в порівнюваних варіантах складає 2 і 0,6мм. Те ж саме стосується ділянки неповної перекристалізації і ділянки старіння. При дводуговому зварюванні за рахунок імпульсного впливу дуг інтервал аустенізації на вітці високошвидкісного нагрівання зміщується в область більш високих температур, процеси гомогенізації аустеніту і росту зерна загальмовуються, завдяки чому досягаються сприятлива дрібнозерниста структура металу шва і рівномірний розподіл гартівних структур у м'якій феритній основі. На термічно зміцненій сталі 09Г2СЮч ударна в'язкість металу шва KCV при –70єС перевищує 60 Дж/см2, а металу ЗТВ - 40 Дж/см2 (рис. 4). Примітно, що при імпульсному дводуговому зварюванні вміст дифузійного водню в металі шва знижується в 1,5-2 рази порівняно з однодуговим зварюванням при аналогічних умовах. Це сприяє підвищенню стійкості металу шва і ЗТВ проти утворення холодних тріщин і зниженню схильності зварних з'єднань до уповільненого руйнування.

В роботі докладно вивчено вплив взаємопов'язаних параметрів режимів дводугового зварювання (зварювального струму, напруги на дузі, швидкості зварювання, діаметра електродного дроту і відстані між електродами) на формування швів низьколегованих сталей. На підставі виконаних досліджень сформульовані технічні вимоги на створення промислового устаткування для імпульсного дводугового зварювання.

В процесі дослідно-промислової перевірки розробок в лабораторних і виробничих умовах Криворізького металургійного комбінату, НВО “Дніпроспецсталь” і Запорізького сталепрокатного заводу освоєно виготовлення зварювальних дротів марок Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ. Розроблено технічні умови на зварювальні дроти марок Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ (ТУ У 05416923.052-2000). Виготовлено дослідні партії зварювальних дротів Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ, які передані провідним підприємствам для промислових випробувань. Розроблено технологічні рекомендації із зварювання обладнання на підприємствах хімічного машинобудування з термічно зміцнених сталей 09Г2С и 09Г2СЮч для зберігання і транспортування зріджених газів. Застосування холодостійких термозміцнених низьколегованих сталей і розробленої технології зварювання дозволить на 15…20% знизити металоємність продукції.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Вивчено характер впливу на міцність і холодостійкість металу шва кожного з ряду легуючих елементів – Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Ti – для випадку їхнього спільного введення в зварювальну ванну в невеликих кількостях. На основі обробки експериментальних даних методом багатомірного регресійного аналізу показано, що ступінь впливу окремого елементу значною мірою залежить від вмісту інших елементів і в більшості випадків зменшується з підвищенням його концентрації. Показано високу ефективність модифікуючого впливу титану за рахунок здрібнювання мікроструктури і поліпшення форми неметалічних включень. Встановлено межі раціональних концентрацій легуючих елементів у металі шва (%): С-0,06…0,08; Si-0,2…0,5; Mn-0,9…1,1; Cr-0,5…0,6; Ni-0,6…0,7; Mo-0,25…0,35 і Ti-0,04…0,08.

2. З метою оптимізації складу зварювального дроту проведені дослідження з вивчення термодинамічної активності в бінарних і багатокомпонентних розплавах на основі заліза основних легуючих елементів системи ХГСНМТ, впливу цих елементів на ефективний потенціал іонізації зазначеної системи, на сталість процесу дугового зварювання в захисних газах (СО2, Ar+СО2) і характеристики переносу електродного металу в цих умовах. Встановлено, що в розплавах заліза коефіцієнт активності всіх основних легуючих елементів, за винятком молібдену, знижується з підвищенням їх концентрації. При тому самому невеликому вмісті будь-якого елемента його активність підвищується на 1-2 порядки за рахунок введення інших елементів (наприклад, активність Si при доданні Mn, Cr, Ni, Mo, Ti чи активність Mo при введенні хрому). Встановлені можливості зниження ефективного потенціалу іонізації атмосфери дуги за рахунок введення Cr, Ti, Al, Zr. У цьому відношенні Si, Mn, Ni і Mo індиферентні і підвищення концентрації будь-якого елемента з цієї групи практично не позначається на величині розривної довжини дуги. Отримані дані у своїй сукупності підтверджують справедливість наукового положення про доцільність комплексного легування зварювального дроту при невисоких концентраціях елементів стосовно до дослідженої системи легування ХГСНМТ.

3. На прикладі характерної термозміцненої сталі 09Г2СЮч шляхом комплексних досліджень з побудовою термокінетичної діаграми перетворення аустеніту і зіставлення структури і властивостей металу ЗТВ доведена доцільність керування параметрами термічного циклу зварювання не тільки на вітці охолодження, але також на вітці нагрівання для зменшення інтенсивності росту зерен і запобігання завершенню процесу гомогенізації аустеніту. Встановлено області оптимальних швидкостей охолодження в діапазоні температур найменшої стійкості аустеніту 5,5єС/сЈW6/5Ј35єС/с і погонних енергій механізованого зварювання в залежності від товщини металу, що зварюється, у межах 10…36 кДж/см з погляду забезпечення необхідного рівня ударної в'язкості за Шарпі при низьких температурах аж до –70єС.

4. Встановлено, що показники механічних властивостей і холодостійкості металу ЗТВ зварних з'єднань низьколегованих термічно зміцнених сталей (s0,2 = 450…520 МПа) у більшій мірі залежать від параметрів термічного циклу зварювання, ніж відповідні службові характеристики конструкційних сталей аналогічного хімічного складу без термічного зміцнення. Шляхом металографічних досліджень зварних з'єднань таких сталей і за допомогою імітації термічних циклів зварювання в поєднанні з оцінкою ударної в'язкості зразків при гострому надрізі встановлено, що головною причиною знеміцнення на 25…35% та зниження холодостійкості основного металу в ЗТВ є формування грубозернистої феритно-бейнітної структури і значної кількості вільної феритної фази в умовах зварювання з великим тепловкладенням.

5. Експериментальним шляхом зі створенням спеціальної дослідної установки показано, що задача розширення технологічних можливостей зварювання плавленням ефективно вирішується за допомогою процесу імпульсного дводугового зварювання в СО2 з роздільною і почерговою подачею імпульсів струму на електрично ізольовані один від одного електроди, дуги яких утворюють загальну зварювальну ванну. Встановлено, що такий процес дозволяє збільшити швидкість нагрівання металу ЗТВ більш ніж на порядок і зменшити час його перебування в області підсолідусних температур у 1,5-3 рази в порівнянні з традиційним однодуговим зварюванням у вуглекислому газі. Визначено область технологічних режимів імпульсного дводугового зварювання термозміцнених кремнієвомарганцевих сталей, при яких стабільно забезпечується значення ударної в'язкості металу ЗТВ при –70єС не менше 40 Дж/см2 за Шарпі, що відповідає вимогам високої холодостійкості зварних з'єднань.

6. Встановлено факт схильності зварних з'єднань досліджуваних сталей до уповільненого руйнування і вивчено взаємозв'язок між критичною напругою руйнування під тривалим впливом навантаження, характером структури ЗТВ і вмістом дифузійно-рухливого водню. Доведено, що для запобігання холодним тріщинам у зварних з'єднаннях при типовій феритно-бейнітно-мартенситній структурі металу ЗТВ вміст дифузійного водню не повинен перевищувати 7 мл на 100 г наплавленого металу.

7. На основі результатів досліджень розроблені вихідні положення з технології механізованого дугового зварювання низьколегованих кремнієвомарганцевих термозміцнених сталей із границею текучості 450...520 МПа, що включають нові електродні дроти марок Св–08ХГ2СНМТ та Св–08ХГНМТ, узагальнені рекомендації з техніки і режимів зварювання зазначених сталей.

Основні результати дисертаційної роботи відображені

в наступних публікаціях:

1. Проценко П.П., Привалов Н.Т. Оптимизация состава и технологические свойства электродной проволоки Св-08ХГ2СНМТ для сварки в защитных газах термоулучшенных низколегированных сталей повышенной прочности //Автомат.сварка. – 2000. - № 6. – С. 18-23.

2. Проценко П.П., Привалов Н.Т. Влияние легирующих элементов на перенос электродного металла при дуговой сварке в защитных газах //Автомат.сварка. – 1999. - № 12. – С. 29-33.

3. Воропай Н.М., Проценко П.П. Особенности формирования швов и ЗТВ при импульсной двухдуговой сварке низколегированных сталей повышенной прочности //Автомат.сварка. – 2000. - № 8. – С. 41-47.

4. Привалов Н.Т., Проценко П.П., Козловец О.Н., Рыльков В.А., Шпак Н.П. Определение параметров зоны проплавления и изотерм кристаллизации сварочной ванны //Автомат.сварка. – 1998. - № 9. – С. 39-40.

5. Привалов Н.Т., Проценко П.П., Козловец О.Н., Кирьян В.И., Веселов В.А., Шарапанский В.М. Особенности технологии сварки изотермических резервуаров из стали 09Г2С с применением разных сочетаний сварочных материалов //Автомат.сварка. – 1999. - № 5. – С. 37-41.

6. Привалов Н.Т., Проценко П.П., Козловец О.Н., Галинич В.И., Веселов В.А., Шарапанский В.М. Применение стали 09Г2СЮч для производства сварных изотермических резервуаров //Автомат.сварка. – 1999. - № 6. – С. 33-37.

7. Привалов Н.Т., Проценко П.П., Галинич В.И., Веселов В.А., Шарапанский В.М. Механические свойства металла швов сварных соединений стали 09Г2СЮч, выполненных ручной дуговой сваркой //Автомат.сварка. – 1999. - № 8. – С. 47-50.

8. Привалов Н.Т., Проценко П.П., Галинич В.И., Рыльков В.А., Шпак Н.П., Рогачевский А.Х., Веселов В.А. Влияние неточности изготовления элементов цилиндрических сосудов на смещение свариваемых кромок и технологию сварки //Автомат.сварка. – 1998. - № 7. – С. 43-44.

9. Проценко П.П Пути улучшения качества сварных соединений хладостойких низколегированных сталей повышенной прочности //Сб. материалов международной конференции “Проблемы обеспечения качества в сварочном производстве”. – К. - 2001. –УИЦ “Наука, техника, технология”. – С.42-43.

Особистий внесок автора. В представлених роботах, виконаних у співавторстві, основний внесок у постановці задач, проведенні експериментів, обробці і аналізі результатів досліджень належить дисертанту. У [1] досліджений комплекс технологічних властивостей електродного дроту марки Св-08ХГ2СНМТ при зварюванні низьколегованих сталей підвищеної міцності у вуглекислому газі і суміші Ar + 25%СО2. У [2] вивчений вплив основних легуючих елементів на характеристики переносу електродного металу. У [3, 4] встановлені закономірності формування швів і ЗТВ при однодуговому і імпульсному дводуговому зварюванні. У [5-8] розглянута структура і властивості зварних з'єднань, специфічні особливості механізованого дугового зварювання в захисних газах і під флюсом термозміцнених кремнієвомарганцевих сталей. У [9] показані шляхи поліпшення якості зварних з'єднань холодостійких низьколегованих сталей підвищеної міцності.

АНОТАЦІЯ

Проценко П.П. Підвищення холодостійкості зварних з'єднань термічно зміцнених кремнієвомарганцевих сталей. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “Зварювання та споріднені технології”. – Інститут електрозварювання ім.Е.О.Патона НАН України, Київ, 2002 р.

Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі забезпечення працездатності зварних з'єднань у конструкціях з низьколегованих кремнієвомарганцевих термозміцнених сталей в умовах експлуатації при низьких температурах до –70єС. Розвинуті уявлення про закономірності впливу легуючих елементів на структуру і властивості металу шва, стійкість горіння дуги і характеристики переносу електродного металу. Розроблено оптимальні склади і вивчено зварювально-технологічні характеристики комплексно легованих електродних дротів Св-08ХГ2СНМТ і Св-08ХГНМТ, що забезпечують необхідну міцність і високу ударну в'язкість металу шва при температурах експлуатації аж до –70єС. Досліджено особливості формування структури і властивостей металу ЗТВ в умовах термічного циклу зварювання, оцінено опірність металу ЗТВ утворенню холодних тріщин і вивчено вплив нагрівання при зварюванні на холодостійкість металу ЗТВ. Виявлено нові технологічні можливості процесу імпульсного дводугового зварювання. Розроблені вихідні положення й узагальнені технологічні рекомендації пройшли дослідно-промислову перевірку на ряді підприємств, що виготовляють відповідальні металоконструкції з холодостійких низьколегованих сталей підвищеної міцності.

Ключові слова: низьколеговані сталі, дугове зварювання, електродні дроти, структура, міцність, холодостійкість.

Abstract

Protsenko P.P. Increasing Cold Resistance of Welded Joints of Thermally Hardened Silicon-Manganese Steels. – Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences degree in speciality 05.03.06 – "Welding and Related Technologies" – Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2002.

The thesis is focused on the provision of serviceability of welded joints in structures of low-alloyed silicon-manganese thermally hardened steels at subzero temperatures (up to –70 єC). It develops the concept of mechanism of alloying elements influence on the weld metal structure and properties, arc stability, and electrode metal transfer characteristics. Optimum compositions of alloyed electrode wires Св-08ХГ2СНМТ and Св-08ХГНМТ that provide the required strength and high impact toughness of the weld metal at temperatures up to –70 єC have been developed and their performance characteristics have been studied. Peculiarities of formation of the structure and properties of the HAZ metal in conditions of the welding thermal cycle have been investigated, resistance of the HAZ metal to cold cracking has been assessed, and the impact of weld heating on cold resistance of the HAZ metal has been determined. New technological capabilities of the pulsed twin-arc welding process have been revealed. The developed points of primary and generalized technological recommendations have been tested at a number of industrial enterprises fabricating responsible metal structures of cold resistant low-alloyed high-strength steels.

Key words: low-alloyed steels, arc welding, electrode wires, structure, strength, cold resistance.

АННОТАЦИЯ

Проценко П.П. Повышение хладостойкости сварных соединений термически упрочненных кремнемарганцевых сталей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 –