НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона

МАКСИМОВ

Сергій Юрійович

УДК 621.791.75:669.15-194.2

фІзико-металУргІЙНІ особЛИВОСТІ

ТА технологІя дуговоГО ЗВАРЮВАННЯ У водІ низЬколегованИх сталей

Спеціальність 05.03.06“

Зварювання та споріднені технології”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ-2006

Дисертацією є рукопис

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

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Грецький Юрій Якович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кузнєцов Валерій Дмитрович

Національний технічний університет України“Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедрою

доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович

Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедрою

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Шлєпаков Валерій Миколайович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа: Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова МОН України, кафедра зварювального виробництва, м. Миколаїв

Захист відбудеться “18” жовтня 2006 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою 03680, м. Київ, вул.. Боженка,11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка,11.

Автореферат розісланий “08” вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зварювання під водою знаходить усе більш широке застосування при проведенні підводно-технічних робіт. Будівництво й обслуговування платформ для видобутку нафти, газу й корисних копалин на морському дні, підйом і ремонт судів, аварійно-рятувальні роботи, відновлення підводних трубопроводів, регламентні й ремонтні роботи на портових спорудах і мостах - це далеко не повний перелік прикладів, де сьогодні потрібне застосування підводного зварювання.

Мокре зварювання виконують безпосередньо у воді, тобто без будь-якої ізоляції електрода, дуги й виробу, що зварюється, від навколишнього середовища. Незважаючи на складність завдань, пов'язаних з якістю зварних з'єднань, мокре зварювання постійно залишається у полі зору завдяки своїй мобільності, відносній простоті й економічній доцільності. Проведені в ІЕЗ і за кордоном науково-дослідні роботи дозволили створити матеріали й технології оперативного ремонту підводних металоконструкцій. Варто підкреслити, що досягнуті успіхи відносяться тільки до зварювання маловуглецевих і відносно простих низьколегованих сталей типу Ст3, 09Г2 й А36 в обмеженому діапазоні глибин 15...20 м. У той же час, задачі зварювання конструкцій відповідального призначення з низьколегованих сталей підвищеної міцності залишалися не вирішеними через недостатню технологічну міцність зварних з'єднань.

Відмінні від повітря фізичні властивості води, наявність навколо дуги парогазового пузиря, який постійно змінюється в об’ємі і складається в основному з водяної пари й продуктів її дисоціації, підвищений гідростатичний тиск та екстремальність умов перебування людини під водою - все це визначило необхідність проведення поглиблених досліджень фізико-металургійних особливостей підводного зварювання для його підняття на якісно новий рівень. Рівень, обсяг і фрагментарний характер проведених раніше досліджень не були достатніми, аби створити сукупність наукових принципів, що дозволяють із нових позицій розглянути причинно-наслідкові зв'язки в області знань про закономірності дугового зварювання у водному середовищі й на новій теоретичній базі здійснити рішення назрілих науково-виробничих проблем із застосуванням підводного мокрого зварювання.

Дисертаційна робота виконана в ІЕЗ ім. Є.О.Патона Національної академії наук України в основному в період 1996-2005 років відповідно до плану фундаментальних і прикладних робіт за темами: 18/6 (номер держреєстрації 0197U014745), 18/8 (0100U004937), 18/9 (0103U006157), державними науково-технічними програмами "Екологічно чиста енергетика й ресурсозберігаючі технології" (1997-2000 р.р.), "Ресурс" (2004-2006 р.р.). Науковий напрямок по створенню й розвитку підводних технологій рішенням

Вченої ради ІЕЗ включено в перелік пріоритетних.

представлена робота є узагальненням і вирішенням наукової проблеми створення теоретичних основ і розробки науково-обгрунтованих металургійних і технологічних принципів забезпечення необхідної якості зварних з'єднань маловуглецевих і низьколегованих сталей в умовах зварювання безпосередньо у водному середовищі.

Об'єкт досліджень - дугове зварювання плавким електродом безпосередньо у водному середовищі.

Предмет досліджень - фізико-металургійні процеси, що протікають при утворенні виконуваних під водою зварних з'єднань маловуглецевих і низьколегованих сталей, у тому числі підвищеної міцності, і властивості цих з’єднань.

Мета й завдання досліджень. Метою роботи було встановити фізико-металургійні закономірності процесу дугового зварювання у водному середовищі, запропонувати науково обґрунтований комплекс металургійних і технологічних мір забезпечення якості зварних з'єднань низьколегованих сталей з границею міцності до 600 Мпа, сформулювати принципи побудови електродних матеріалів нового покоління і розробити вихідні положення технології дугового зварювання елементів підводних конструкцій відповідального призначення мокрим способом.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити наступні основні завдання:

- вивчити вплив гідростатичного тиску й складу атмосфери парогазового пузиря на процес горіння дуги плавкого електрода і запропонувати ефективні заходи забезпечення його стабільності стосовно до діапазону глибин до 200 м;

- вивчити особливості взаємодії металу з газами у специфічних умовах підводного дугового зварювання мокрим способом та оцінити ймовірність утворення пор у металі шва;

- вивчити вплив водневого й структурного факторів і визначити засоби боротьби з підвищеною схильністю зварних з'єднань, виконаних під водою, до утворення пришовних тріщин;

- розробити методи керування структурою й властивостями металу шва і запропонувати принципи його легування стосовно до сталей, які важко зварюються в екстремальних умовах підводного зварювання;

- встановити вихідні положення для розробки електродних матеріалів нового покоління стосовно до підводного зварювання низьколегованих сталей з міцністю до 600 Мпа.

Методи досліджень. Для розв’язання поставлених задач і одержання основних результатів у ході досліджень використовувалися аналітичні й чисельні методи досліджень фізико-хімічних процесів взаємодії металу з газами, зокрема моделювання процесів еволюції зародка газового пузирка на фронті кристалізації зварювальної ванни й перерозподілу водню у зварному з'єднанні в процесі його утворення. Експериментальні дослідження виконували з використанням методів газового, спектрального, рентгенівського, флуоресцентного й хімічного аналізів, дюрометрії, волюметрії, оптичної і растрової електронної мікроскопії. Отримані експериментальні дані обробляли з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів.

Встановлено, що основною причиною негативного впливу водного середовища на стабільність дугового процесу є переважно воднева атмосфера парогазового пузиря, в якому горить дуга, що спричиняє контрагування стовпа дуги і збільшення напруженості її електричного поля. Для забезпечення сталості горіння дуги в діапазоні глибин до 200 м необхідно підвищувати електропровідність периферійних "холодних" областей стовпа дуги і збільшувати довжину дуги. Запропоновано та експериментально підтверджено шляхи вирішення задачі стабілізації дуги, що горить у воді: на малих глибинах (до 20 м) - підвищенням потужності дуги на 10...15% за рахунок збільшення параметрів режиму зварювання і введенням в електродні матеріали речовин з підвищеною здатністю до газоутворення при дисоціації для збільшення об’єму парогазового пузиря; на великих глибинах (до 200 м) – додатковим використанням речовин з низьким потенціалом іонізації (солей лужних металів).

Встановлено особливості взаємодії металу з газами в умовах підводного зварювання мокрим способом. Термодинамічним аналізом показано, що завдяки високій термічній стійкості молекул води до температур 2000...2500К атмосфера парогазового пузиря, у якому горить дуга, складається переважно з водяної пари (56...84%) і молекулярного водню (15...43%). Наслідком цього є розвиток процесу інтенсивного окислювання розплавленого металу переважно водяною парою, що сприяє додатковому збагаченню атмосфери парогазового пузиря воднем. Цими чинниками пояснюється підвищена концентрація кисню в металі шва (понад 0,1%), практично повне (72...98%) вигоряння вуглецю, кремнію й марганцю, ослаблення ефективності мікролегування титаном і бором і збільшення кількості та розмірів неметалевих включень, а також перенасичення металу шва воднем (до 48 см3/100 г).

Виявлено закономірності процесу пороутворення при зварюванні у водному середовищі. шляхом експериментального визначення складу газу в порах швів встановлений водневий характер пористості. Чисельними дослідженнями за фізико-математичною моделлю еволюції газового зародка на фронті кристалізації встановлено, що імовірність переростання його в пору обумовлюється швидкістю кристалізації, вмістом водню та гідростатичним тиском і зростає зі збільшенням кожного з цих факторів у діапазоні глибин до 100 м. При більших глибинах фактор гідростатичного тиску сприяє пригніченню процесу пороутворення через зниження значень граничної розчинності водню в розплавленому металі.

Показано, що основна причина різкого зниження стійкості зварних з'єднань низьколегованих сталей проти утворення пришовних тріщин в умовах мокрого підводного зварювання в порівнянні з умовами зварювання на повітрі полягає у підсиленні спільного впливу структурного і водневого факторів, та проявляється через акумулювання мартенситною грядою в ЗТВ поблизу лінії сплавлення водню до 17...20 см3/100 г при одночасному звуженні ділянки ЗТВ, де в процесі охолодження локалізуються зростаючі з високим темпом напруги, що розтягують. На цій основі доведено необхідність застосування аустенітного металу шва як засобу суттєвого послаблення впливу водневого фактора.

Розкрито закономірності впливу умов зварювання на склад та структуру металу шва феритного та аустенітного типів та встановлено принципи керування його механічними властивостями. Показано вирішальну роль факторів високої окислювальної здатності атмосфери парогазового пузиря та прискореної кристалізації зварювальної ванни, наслідком чого є інтенсивне вигоряння легуючих елементів, збільшення об’ємної частки та середнього розміру неметалевих вкраплень і послаблення ефективності мікролегування титаном та бором. Доведено, що шви феритного типу доцільно легувати нікелем до 1,8…2,6%, використовуючи його низьку спорідненість до кисню та визначальний вплив на формування структури з підвищеною часткою голчастого фериту, а необхідний рівень легування металу шва аустенітного типу для мокрого зварювання низьколегованих сталей підвищеної міцності (В до 600 Мпа) забезпечується при еквіваленті хрому 17,5...23% і еквіваленті нікелю 25...28%.

Практичне значення. Запропоновано і реалізовано принципи створення електродних матеріалів нового покоління для дугового зварювання безпосередньо у воді низьколегованих сталей підвищеної міцності, які базуються на результатах вивчення особливостей впливу водного середовища на характер фізико-металургійних процесів зварювання. Розроблено порошкові дроти та покриті електроди (феритного і аустенітного типів), які забезпечують необхідний рівень властивостей зварних з'єднань і становлять основу технології підводного зварювання мокрим способом низьколегованих сталей з межею міцності до 600 Мпа. Виконано дослідно-промислову перевірку розробок стосовно до практичних завдань ремонту трубопроводів, портових споруд і суден на плаву. Створено технічну документацію на виготовлення та застосування нових електродних матеріалів, розроблена технологічна інструкція з ремонту підводних металоконструкцій, у тому числі трубопроводів у режимі експлуатації з гарантовано безпечними режимами зварювання.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі постановка завдань досліджень, вибір наукових підходів до їхнього вирішення, адаптація моделей до умов зварювання під водою і перевірка їхньої адекватності виконані особисто автором. При підготовці експериментів, формулюванні висновків, підготовці публікацій за результатами досліджень і розробці принципів побудови електродних матеріалів для підводного зварювання внесок автора був визначальним. Автор брав активну участь при проведенні експериментів і при впровадженні розроблених електродів і порошкових дротів у промисловості.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародних форумах: Європейській конференції ASM "Наука і технологія зварювання та з'єднання" (Іспанія, 1997 р.), семінарі "Підводне зварювання і різання" (Англія, 1997 р.), 2-му симпозіумі із технології зварювання (Туреччина, 1998 р.), конференції зі зварювальних матеріалів країн СНД "Стан і перспективи розвитку зварювальних матеріалів у країнах СНД" (м.Краснодар, 1998 р.), Регіональному конгресі МІЗ (Іран, 1998 р.), конференції "Зварювання і споріднені технології - в XXІ століття" (м.Київ, 1998 р.), конференції з ремонту трубопроводів (Австралія, 2001 р.), VІІ науково-технічної конференції "Сучасні методи і засоби океанологічних досліджень" (м.Москва, 2001 р.), конференції "Зварювання і споріднені технології 2002" (м.Київ, 2002 р.), конференції "Математичне моделювання і інформаційні технології у зварюванні та споріднених процесах" (с.Кацивелі, 2002 р., 2004 р.), конференції "Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій" (м.Київ, 2003 р.), конференції зі зварювальних матеріалів країн СНД "Зварювальні матеріали. Розробка. Технологія. Виробництво. Якість." (г.Дніпропетровськ, 2004 р.), конгресі зі зварювання (Індія, 2005 р.), а також семінарі ІЕЗ ім.Є.О.Патона "Зварювання плавленням, наплавлення та нанесення покриттів".

Публікації. За темою дисертації опубліковано 35 робот, у тому числі 31 стаття в академічних журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, отримано 5 патентів.

Структура й об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури й додатків. Загальний обсяг дисертації 388 сторінок машинописного тексту, включаючи 39 таблиць, 178 малюнків і список літератури з 213 найменувань на 20 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні задачі досліджень, описані об'єкт і методи досліджень, викладені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів із зазначенням особистого внеску автора.

У першому розділі розглянуті фізико-металургійні аспекти проблеми підводного зварювання конструкційних сталей. Вивченням процесів, що протікають при утворенні зварного з'єднання в умовах водного середовища, займалися К.К. Хренов, Т.І. Авілов, Н.М. Мадатов, В.П. Руссо, І.М. Савич і ряд закордонних дослідників: Н.Кристенсен, С.Ібарра, К.Масубучі, К.Тсаі, П.Шеляговський, І.Шуга. Відомі з літератури дослідження відносяться до окремих питань, у першу чергу існування парогазового пузиря і складу його атмосфери, впливу умов зварювання на геометричні параметри металу шва, утворення в ньому пор, впливу режимів зварювання на газонасиченість металу шва, впливу хімічного складу основного металу на схильність до утворення холодних тріщин. У якості електродних матеріалів в основному застосовуються штучні електроди. У першу чергу це відноситься до закордонних компаній, де ручне зварювання є єдиним способом. Істотним проривом в області підводного зварювання була розробка в ІЕЗ способу зварювання самозахисним порошковим дротом, що сполучає в собі простоту і маневреність ручного процесу та продуктивність механізованого. Застосування порошкового дроту дозволило покращити механічні властивості металу шва, що істотно розширило технологічні можливості підводного зварювання. Однак обмежений перелік марок і порівняно невисокий (до 450 Мпа) рівень міцності сталей, що зварюються, а також труднощі в забезпеченні формування металу шва в усіх просторових положеннях не дозволили цій розробці зайняти лідируюче положення на світовому ринку.

Досягнутий рівень властивостей зварних з'єднань дозволяє стверджувати, що на сьогоднішній день задача зварювання під водою маловуглецевих сталей типу Ст3, А36 і ряду низьколегованих сталей типу 09Г2, 19Г, St-42, X56 в основному вирішена. Що стосується зварювання конструкцій відповідального призначення, що виготовляються із низьколегованих сталей підвищеної міцності, то ця проблема залишалася невирішеною. Накопичені знання не могли слугувати основою для вироблення прийнятних рішень. Тому виникла необхідність проведення комплексу фундаментальних досліджень для створення принципових підходів до розробки нових електродних матеріалів і технологічних рішень на їхній основі.

У другому розділі виконуються дослідження особливостей процесу горіння дуги при підводному мокрому зварюванні, пошук ефективних заходів з її стабілізації як необхідної умови одержання якісного зварного з'єднання. Наведено аналіз отриманих автором результатів експериментів щодо впливу складу атмосфери дуги, енергетичних параметрів джерела живлення та гідростатичного тиску на електричні й часові параметри процесу підводного зварювання.

Для вивчення електричних параметрів підводного зварювання була розроблена інформаційно-вимірювальна система (ІВС) на базі ноутбука із пристроєм зв'язку з об'єктом. Оригінальність методики полягає в можливості постійного моніторингу всього процесу зварювання з наступною статистичною обробкою та графічною інтерпретацією отриманих результатів. ІВС дозволяє здійснювати безперервний аналіз і запис на електронні носії під час усього циклу зварювання показників параметрів, що реєструються, виконувати багатоканальный контроль високочастотних (не менш 20 кгц) параметрів процесу, обробляти отриману інформацію в діалоговому режимі. Запис та обробку даних проводили за допомогою програми Fіle Recorder v.2.0 зі спеціалізованого пакета PowerGraph v.2.0, орієнтованого на роботу із продукцією фірми L Card під керуванням операційної системи Wіndows ХР. Для оцінки особливостей процесу зварювання під водою вимірювали наступні електричні та часові параметри: Uд і Ізв - напругу дуги та струм зварювання, Uг.д. і Іг.д. - напруга і струм горіння дуги, Uк.з. і Ік.з. - напруга та струм короткого замикання, Tк.з. - інтервал між короткими замиканнями електродного проміжку краплею розплавленого металу. Характер переносу металу оцінювали по тривалості коротких замикань к.з., їхній кількості Nк.з. і частоті fк.з. Аналіз особливостей горіння дуги робили за гістограмами напруги на дузі і струму зварювання за допомогою методу поетапної обробки багатомодальних розподілів.

Для зварювання у звичайних умовах рекомендується вважати дуговий процес досить стабільним, якщо коефіцієнт варіації напруги не перевищує 20%. Ці ж рекомендації прийняті нами для оцінки отриманих результатів і в умовах мокрого підводного зварювання.

З використанням розробленої методики експериментально вивчений характер зміни електричних параметрів дуги під впливом гідростатичного тиску в діапазоні глибин до 200 м. За результатами аналізу гістограм зроблено висновок, що порушення стабільності процесу зварювання у водному середовищі обумовлено одночасним проявом коротких замикань і обривів дуги, причому зі збільшенням глибини занурення вплив коротких замикань стає переважаючим - їхня частота зростає в 10 разів вже на перших 100 м. Це зумовлено контрагуванням дуги та збільшенням напруженості її електричного поля в результаті водневого характеру атмосфери паро газового пузиря та підвищеного тиску. В основу вивчення і реалізації методів стабілізації дуги у водному середовищі в широкому діапазоні робочих глибин були покладені два способи запобігання шкідливого впливу зазначених явищ - за рахунок підвищення потужності дуги шляхом збільшення струму зварювання і напруги дуги та через керування об’ємом і складом парогазового пузиря шляхом зміни складу електродних матеріалів.

Дослідження, проведені за допомогою методики Г.І.Лєскова з визначення впливу гідростатичного тиску на енергетичні параметри дуги за умови збереження складу плавкого електроду, показали необхідність різкого збільшення потужності дуги із глибиною. Для підтримки стабільного збудження дуги і її функціонування потрібно підвищувати напругу на 30 В та струм на 200...240 А на кожні 100 м. Це визначає нераціональність шляху практичної реалізації цього напрямку при значних глибинах через необхідність створення нових надзвичайно потужних джерел живлення з дуже великою напругою холостого ходу (до 300 В) і виходячи з умов безпеки роботи водолаза-зварника, бо максимальна напруга постійного струму не повинна перевищувати 110 В.

Експериментальне вивчення металургійних заходів щодо стабілізації дуги за рахунок роздільного та комбінованого введення до складу електродного матеріалу речовин з підвищеною здатністю до газоутворення при їхній дисоціації і речовин з низьким потенціалом іонізації показало, що при гідростатичному тиску в межах 0,01...0,5 Мпа додаткове надходження газів як продуктів дисоціації не є ефективним. Причина цього бачиться в тому, що мета збільшення об’єму парогазового пузиря практично не досягається, зате збільшується частота його схлопування, що у свою чергу є чинником дестабілізації дуги. Другий шлях стабілізації процесу зварювання методом зниження потенціалу іонізації атмосфери дуги є найбільш ефективним. Наявність елементів з низьким потенціалом іонізації збільшує електропровідність "холодних" периферійних областей стовпа дуги та знижує напруженість її електричного поля, компенсуючи таким чином шкідливу дію водню і гідростатичного тиску.

В результаті проведених експериментів визначено способи реалізації металургійного підходу для одержання стабільного процесу зварювання в діапазоні глибин від 0 до 150 м. Показано, що такими способами є добавки до складу шихти порошкового дроту і покриттів штучних електродів переважно солей лужних металів, зокрема силікату натрію та азотнокислого цезію, рис.1. Найбільш ефективним для стабілізації процесу зварювання порошковим дротом є введення солі цезію. Навіть невелика її кількість (близько 1,5%) дозволяє значно скоротити кількість коротких замикань і обривів дуги, тим самим забезпечуючи стабільність дуги на глибинах до 150 м. При цьому у зазначеному діапазоні глибин значення коефіцієнта варіації напруги дуги зберігаються на рівні 0,13...0,17.

Таким чином, неминуче контрагування стовпа дуги і збільшення напруженості її електричного поля в переважно водневому середовищі при підвищеному тиску із глибиною занурення призводить до різкого збільшення кількості коротких замикань - на порядок за перші 100 м (c 3,5 до 33 Гц). Раціональне і ефективне рішення задачі стабілізації дуги, що горить у воді, полягає в наступному: на малих глибинах (до 20 м) - шляхом підвищення потужності дуги на 10...15% за рахунок збільшення параметрів режиму зварювання і введення в електродні матеріали речовин з підвищеною здатністю до газоутворення при дисоціації для збільшення об’єму парогазового пузиря; на більших глибинах (до 200 м) - використання речовин з низьким потенціалом іонізації (солей лужних металів) для підвищення електропровідності периферійних "холодних" областей стовпа дуги та збільшення довжини дуги.

Рис.1. Ефективність впливу добавок силікату натрію і азотнокислого цезію на стабільність процесу зварювання в діапазоні глибин до 100 м

Третій розділ присвячений вивченню експериментальним шляхом і за допомогою математичного моделювання впливу умов зварювання безпосередньо у воді на взаємодію розплавленого металу з газами. Зварювання під водою - це складний технологічний процес, що протікає при взаємодії металу з газами, що утворяться в результаті згоряння електродних матеріалів і дисоціації води. Характер процесів, які відбуваються на стадії формування металу шва, в основному визначається атмосферою парогазового пузиря. Її високий окисний потенціал спричиняє вигоряння легуючих елементів і обмежує можливості керування хімічним складом металу шва. Велика кількість водню в міжелектродному проміжку призводить до насичення краплі розплавленого металу цим газом і відповідно збільшення концентрації водню у зварювальній ванні. Це створює сприятливі умови для зародження газових пузирків, які внаслідок малого часу існування ванни не встигають спливти на поверхню і залишаються у шві у вигляді пор. Останні є одним з найпоширеніших дефектів швів, зварених під водою.

Дуга в умовах підводного зварювання виникає в атмосфері водяної пари, що утворюється за рахунок нагрівання води при замиканні електродів, і далі функціонує у парогазовому пузирі, атмосфера якого є продуктом взаємодії водяної пари з рідким металом і шлаковим розплавом. Оскільки водяна пара складається з 11% водню й 89% кисню, то зовсім природно очікувати, що обидва ці гази становлять основу атмосфери пузиря. Однак безпосередній її аналіз і аналіз газів, що відходять, показує наявність в основному водню і фактично повну відсутність кисню.

Для прогнозування результатів процесів взаємодії в замкнутій системі газ-шлак-метал був проведений термодинамічний аналіз за допомогою розрахункового методу. У його основу закладено відомий з термодинаміки принцип: при постійних температурі і тиску рівновага системи визначається мінімумом її ізобарно-ізотермічного потенціалу (енергії Гіббса). У якості вихідних даних були задані наступні. Температура - 2000...2500К, тиск - 0,1 Мпа, початковий склад газової фази - водяна пара, металева фаза - чисте розплавлене залізо, шлакова фаза - суміш FeО і TіО2, що становлять основу відомих електродних матеріалів для зварювання під водою. Причому співвідношення цих оксидів змінювалося від 0 до 1 з метою зміни основності шлаків. Отримані результати показали, що через високу термічну стійкість молекул води в даному температурному інтервалі основними компонентами парогазового пузиря є водяна пара (56...84%) і молекулярний водень (15...43%), рис.2. Це дозволяє стверджувати, що в умовах підводного зварювання окислю-

Рис.2. Вплив складу шлаків на парціальний тиск молекулярних газів (H2O, H2, O2) в атмосфері парогазового пузиря при 2000 К | вання рідкого металу в атмосфері парогазового пузиря відбувається переважно за рахунок безпосеред-нього контакту з водяною парою за реакцією

H2O + Me MeO + H2

Водень, що утворюється в результаті цієї реакції, частково розчиняється в розплавленому металі, причому наявність елементів -розкислювачів у зварювальній ванні сприяє його більш повному засвоєнню. З ростом основності шлаків і температури окислювальна здатність атмосфери пузиря збільшується. Це неодмінно повинно привести до збільшення вигоряння легуючих елементів і насичення

металу шва киснем у складі неметалевих включень. Такий склад атмосфери парогазового пузиря, у якому протікає процес зварювання, визначає неминучість насичення розплавленого металу також і воднем. Спроби розбавити атмосферу продуктами дисоціації інгредієнтів електродних матеріалів не принесли бажаних результатів. Більш ефективним виявилося зв'язування водню у фтористі з'єднання, нерозчинні в рідкому металі. Зі збільшенням кількості фториду кальцію у всьому інтервалі досліджуваних складів концентрація водню в металі шва помітно зменшується. Однак виникаючі при цьому труднощі досягнення якісного формування швів знижують практичну цінність отриманого результату.

При вивченні впливу режиму зварювання зі зміною струму в діапазоні 110...200 А і напруги в діапазоні 24...36 В на обох полярностях отримані дані дозволяють припустити, що в діапазоні використаних режимів зварювання на зворотній полярності стан рівноважного насичення не досягається. Найменший вміст водню фіксується на мінімальних режимах. Однак, виходячи з необхідності одержання якісного формування металу шва, що значно обмежує можливості варіювання режимом зварювання, регулювання кількості водню таким шляхом неефективне.

Наявні в літературі дані дають суперечливе уявлення про вплив основних факторів, властивих підводному зварюванню, а саме: швидкості кристалізації, тиску і високого вмісту водню на процес утворення пор у металі шва. Оскільки час існування рідкометалевої ванни в умовах мокрого підводного зварювання менше, ніж у звичайних умовах, то пори повинні мати порівняно невеликі розміри. Це підтверджується безпосереднім виміром кількості і діаметра пор на мікрошліфах за допомогою оптичного мікроскопа. На невеликих глибинах (до 20 м) основну кількість становлять мікропори розміром до 8 мкм. З ростом глибини в наплавленому металі з'являються більші пори (16...24 мкм), а кількість дрібних пор поступово зменшується. Це стає особливо помітним на глибині 50 м. Як результат, об'ємна частка пор з підвищенням гідростатичного тиску збільшується, що підтверджується результатами волюметричних досліджень. Виявлений факт змін у характері представлених залежностей зі збільшенням глибини понад 30 м можна пояснити експериментально встановленим зниженням максимально можливої кількості розчиненого в рідкому металі водню, починаючи з тиску 0,3 Мпа.

Для вивчення еволюції газових пузирків у рідкому металі зварювальної ванни в умовах мокрого підводного зварювання розроблена математична модель, що враховує вплив міжфазної границі "твердий - рідкий метал", що рухається, на процес дифузії в області, яка прилягає до пузирка, і локальні зміни поля швидкості переміщення поверхні газового зародка на фронті кристалізації у взаємозв'язку зі змінами процесу масопереносу. В основу моделі покладено фізичне уявлення про механізм зародження пор, запропоноване академіком І.К.Походнею.

Чисельними дослідженнями за розробленою моделлю встановлено, що критичний стан газового пузирка як зародка пори, який характеризується нульовою швидкістю його росту, при певному рівні наводнювання зварювальної ванни визначається головним чином трьома параметрами: гідростатичним тиском Pa, швидкістю переміщення фронту кристалізації Vs і моментом утворення пузирка t0. Причому, цей стан є нестійким, тому що незначне коливання величини кожного із зазначених вище параметрів приведе до неминучого росту або зникнення зародка. Встановлено наступні закономірності впливу основних параметрів на еволюцію газового пузирка:

- збільшення часу до моменту зародження пузирка до 1 сек. приводить до збільшення швидкості його росту внаслідок більшого концентраційного ущільнення водню перед фронтом кристалізації;

- збільшення швидкості пересування фронту кристалізації зміщує величину критичного радіуса газового зародка в область менших значень в результаті інтенсифікації дифузії водню в порожнину зародка через збільшення ступеня насичення рідкого металу воднем у зоні концентраційного ущільнення;

- збільшення глибини занурення приводить до складної залежності критичного радіуса пузирка від гідростатичного тиску: на малих глибинах величина критичного радіуса зміщується в область малих розмірів газових зародків, на більших глибинах - навпаки, у силу зниження темпу наростання кількості розчиненого у зварювальній ванні водню збільшення тиску навколишнього середовища викликає збільшення критичного розміру порожнин, знижуючи імовірність утворення пор, рис.3.

Рис.3. Вплив гідростатичного тиску і швидкості кристалізації на критичний радіус газового зародка

Із зростанням середньої концентрації водню у зварювальній ванні імовірність розвитку зародка в газову порожнину зростає у всьому діапазоні реальних глибин. При цьому значимість гідростатичного тиску як фактора, що визначає схильність системи, що кристалізується, до пороутворення, послаблюється. У діапазоні швидкостей кристалізації, характерних для умов зварювання під водою (понад 20Ч10-4 м/с), вплив кількості водню різко знижується. Оскільки у реальних умовах можна регулювати тільки два параметри - швидкість кристалізації і концентрацію водню, то зниження пористості можливе тільки шляхом зменшення їхніх значень. Одним з дієвих шляхів реалізації такого підходу може служити перемішування розплавленого металу зварювальної ванни. При цьому вплив спричиняється на обидва зазначених фактори одночасно. З одного боку, перемішування сприяє дегазації зварювальної ванни, а з іншого боку - вирівнюванню температури розплавленого металу в усьому об’ємі, тим самим знижуючи швидкість кристалізації. На практиці при виконанні зварювання під водою для цього можна використати поперечні коливання кінця електрода (зварювального пальника) або зовнішній електромагнітний вплив. Ефект застосування останнього у випадку автоматичного зварювання порошковим дротом ППС-АН1 показав, що таким чином вдається не тільки знизити загальну кількість пор, але й зменшити їхні розміри.

Вивчення впливу глибини на окислювальну здатність атмосфери парогазового пузиря показало, що підвищення гідростатичного тиску зміщає величину критичної температури переважного окислювання вуглецю убік більших значень. Такий специфічний ефект зовнішнього тиску приводить до придушення реакції окислювання вуглецю у зварювальній ванні на більш ранній стадії за рахунок інтенсифікації процесу окислювання кремнію або марганцю. Отже, щоб мати можливість ефективно впливати на вміст легуючих елементів (Sі, Mn) у металі шва, необхідно зменшити окисну здатність атмосфери парогазового пузиря при зварюванні на підвищених глибинах.

Експериментально показано, що добуток концентрацій кисню і вуглецю в металі шва [C]Ч[O] пропорційно збільшується з ростом тиску, а кут нахилу кривої залежить від парціального тиску СО в атмосфері парогазового пузиря. Отримана залежність має лінійний характер. Це свідчить про те, що в дослідженому діапазоні глибин (0...50 м) вміст кисню залежить від протікання реакції утворення-розкладу оксиду вуглецю, а добуток концентрацій залежить тільки від зовнішнього тиску. Таким чином, на підвищених глибинах неможливо одночасно одержати низький вміст вуглецю і кисню в металі шва.

У четвертому розділі вивчено закономірності впливу хімічного складу і умов зварювання на формування структури та властивостей металу шва і ЗТВ.

Як потенційні місця для зародження продуктів розпаду аустеніту, наприклад голчастого фериту, що сприяє підвищенню стійкості проти крихкого руйнування, неметалеві включення відіграють важливу роль у формуванні кінцевої мікроструктури металу шва. У процесі кристалізації зварювальної ванни час, протягом якого можливий ріст оксидних включень, визначається часом локальної кристалізації tf, що у свою чергу залежить від швидкості охолодження

tf(GR)-1,

де G - градієнт температури, а R - швидкість кристалізації. З урахуванням того,

що через більш високі швидкості охолодження включення у швах, зварених під водою, мають менше часу для росту, чим у швах, зварених на повітрі, можна було очікувати зменшення їхніх розмірів. Однак проведені дослідження показали, що середній діаметр включень при підводному зварюванні трохи більше, ніж на повітрі - 0,43 мкм й 0,4 мкм відповідно. Різниця стає ще помітнішою, якщо розглядати діаметр включень, що зустрічаються найбільш часто (модальний). Для швів, виконаних під водою і на повітрі, його величина становить 0,4 мкм й 0,3 мкм відповідно. Помічена тенденція свідчить, що в цьому випадку на розмір включень впливають інші фактори, наприклад хімічний склад зварювальної ванни або тип механізму росту включення. Оскільки у швах, зварених під водою, вміст кисню вище, ніж у швах, зварених на повітрі ([O] > 0,1%), то й розмір включень, що утворюються, теж повинен бути більше, незважаючи на менший час локальної кристалізації. При вивченні зв'язку кількості кисню в металі шва з розміром і кількістю в ньому неметалевих включень більш явна залежність виявлена між концентрацією кисню і модальним діаметром включень. Останній збільшується з ростом вмісту кисню.

Загальноприйнятим є те, що оксидні включення гальмують укрупнення аустенітних зерен шляхом блокування їхніх границь. У свою чергу дрібні аустенітні зерна забезпечують більшу площу поверхні для зародження зернограничного фериту. У результаті, при зварюванні на повітрі підвищення вмісту кисню приводить до переважного утворення зернограничного фериту. В умовах підводного зварювання отримані експериментальні дані свідчать про протилежний ефект - підвищення вмісту кисню привело до росту зерна аустеніту (з 80 мкм на повітрі до 99 мкм під водою при вмісті кисню в металі шва 0,135%). Для того, щоб пояснити виникле протиріччя, скористаємося виразом Зенера-Смітта

, (1)

відповідно до якого розмір зерна аустеніту GS визначається діаметром включень Ф и їхньою об'ємною часткою VF. Через те, що в умовах підводного зварювання більш інформативним є характер розподілу розмірів включень, діаметр яких менше модального, то в подальших міркуваннях будемо враховувати саме їх. Встановлено, що збільшення вмісту кисню приводить до збільшення середнього діаметра зазначених включень і практично не впливає на їхню об'ємну частку. Тому, відповідно до виразу (1), це повинно супроводжуватися ростом розмірів зерен аустеніту.

Таким чином, виконана серія експериментів дозволила уточнити характер впливу умов підводного зварювання на процес формування мікроструктури металу шва, які проявляються, головним чином, через швидкість кристалізації металу зварювальної ванни і ступінь його окисленості. У підсумку можна заключити, що переважаюче значення має саме підвищена концентрація кисню, через що утворюються неметалеві включення переважно таких розмірів, при яких послаблюється їхній блокувальний вплив на ріст зерна в процесі формування первинної структури.

з метою підвищення рівня механічних властивостей металу шва за рахунок забезпечення формування мікроструктури з максимально можливою кількістю голчастого фериту виконано оцінку ефективності мікролегування металу шва в умовах мокрого підводного зварювання. Для цього в шихту порошкового дроту типу ППС-АН1 додатково вводили титан і бор як спільно, так і порізно в кількостях, що забезпечують їхній вміст у металі шва до 0,045% і 0,007% відповідно. При максимальному рівні легування вміст кисню в металі шва знижується майже у 3 рази, а твердість збільшується приблизно в півтора рази. Причому залежність твердості від рівня легування має кілька екстремумів і при сполученні вмістів Tі і B 0,015...0,02% та 0...0,001%; 0,025...0,035% та 0,0015...0,002% відповідно забезпечується більш м'яка і, можливо, більш пластична структура.

Металографічним аналізом у металі шва крім різних модифікацій фериту виявлені також мартенсит і Мак-фаза. При незначному ступені легування (0...0,02% Tі і 0...0,0002% B) кількість голчастого фериту досить мала. Для цієї області складів характерний високий вміст фериту із другою фазою. При збільшенні вмісту титану понад 0,035% і бору понад 0,003% здатність до закалювання різко збільшується і у шві утворюється мартенсит і Мак-фаза. Найбільший вміст голчастого фериту відповідає легуванню шва 0,022...0,035% Tі і 0...0,0023% B, рис.4. Місцезнаходження цієї області корегує з областю мінімальної твердості. У порівнянні з результатами, отриманими на повітрі, оптимальний діапазон вмістів титану і бору з огляду на утворення максимальної кількості голчатого фериту зміщається убік менших значень. При цьому максимально досяжна частка голчастого фериту в металі шва становить 50...55%, що приблизно вдвічі менше, ніж при зварюванні у звичайних умовах. Як результат, міцність металу шва вдалося підвищити несуттєво (до 500...520 Мпа), а рівень пластичності залишається незадовільним (< 12%). Таким чином, мікролегування титаном і бором в умовах зварювання під водою є недостатнім для вирішення наукової задачі керування механічними властивос-

Рис.4. Залежність кількості ГФ від вмісту титану і бору в металі шва | тями металу шва.

Одним з небагатьох елементів, що чинять сприятливий вплив як на міцність, так і на пластичність металу, є нікель. Експериментально встановлено, що в умовах зварювання під водою при його вмісті в металі шва до 0,8%, мікроструктура являє собою в основному великі зерна поліго-нального фериту. При кількості нікелю понад 1% у металі формується більш розвинена субзеренна феритна структура з

подовженими полігональними зернами, з'являються ділянки з голчастим феритом по границях зерен. Підвищення вмісту нікелю до 2,5% супроводжується збільшенням кількості голчастого фериту і подрібнюванням зерен полігонального фериту. Подальше збільшення вмісту нікелю веде до утворення зон (особливо в кореневій частині шва) зі структурою низьковуглецевого рейкового мартенситу. Такі структурні зміни викликають відповідні зміни механічних властивостей. Зі збільшенням частки голчастого фериту природно очікувати підвищення показників міцності і пластичності, а з появою мартенситної складової - зменшення пластичності при подальшому збільшенні міцності. Це підтвердили проведені механічні випробування зварних зразків. Максимальний рівень пластичності (кут згину 180 ) досягнуто при вмісті у шві 1,5% нікелю і зберігається до 2,5%. При подальшому збільшенні вмісту легуючого елемента пластичність металу шва зменшувалася через утворення низьковуглецевого рейкового мартенситу. Що стосується міцності, то значення тимчасового опору досягло свого максимуму 526 Мпа при вмісті нікелю