Пошук академічних текстів

Інформація × Реєстраційний номер 0212U002474, 0107U002632 , Науково-дослідна робота Назва роботи Створення електродних матеріалів нового покоління для мокрого підводного зварювання на основі дослідженнямеханізму фізико-хімічної взаємодії в системі газ-шлак-метал в атмосфері парогазового пузиря Назва етапу роботи Керівник роботи Максимов Сергій Юрійович, Дата реєстрації 01-03-2012 Організація виконавець Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона Опис етапу Об'єкт дослідження - вплив навколишнього середовища на процеси взаємодії в системі газ-шлак-метал в атмосфері парогазового пузиря при мокрому підводному зварюванні. Мета роботи - вивчення механізму окиснення розплавленого металу та насичення його воднем в атмосфері парогазового пузиря при підвищеному змінному гідростатичному тиску та розробка на цій основі принципів управління процесом і оптимізації електродних матеріалів для мокрого підводного зварювання конструкцій відповідального призначення. Методи дослідження - імітація робочих глибин у спеціальній камері високого тиску, металографічні дослідження, хроматографічний, хімічний та газовий аналізи, левітаційна плавка, визначення механічних властивостей, рентгенографія та фрактографічні дослідження, математичні методи обробки дослідних даних та моделювання процесу зварювання з використанням персональних обчислювальних засобів. Встановлено, що при постійній температурі в 2000К основу атмосфери парогазового пузиря становлять водяна пара і молекулярний водень. Вміст атомарного і молекулярного кисню, а також гідроксилу в атмосфері парогазового пузиря не перевищує десятитисячних часток відсотка. Збільшення відношення вмісту в шлаку FeО до TіО, тобто його основності, з 0,2 до 0,8 приводить до збільшення вмісту водяної пари з 60 до 85% за рахунок відповідного зниження кількості молекулярного водню з 40 до 15%, вміст кисню при цьому збільшується в кілька разів. Характер зміни вмісту атомарних газів в атмосфері парогазового пузиря і у металі шва носить аналогічний характер. З ростом температури ступінь розкладання води збільшується, що викликає відповідне підвищення тиску молекулярних і атомарних складових кисню та водню. Хоча приріст концентрацій продуктів дисоціації водяної пари виявився порівняно невеликим, такі зміни в складі атмосфери парогазового пузиря привели до досить істотної зміни ступеня газонасиченості розплавленого металу - в дослідженому діапазоні температур 2000...2500К вміст водню збільшується з 25 до 40 см3/100 г, а вміст кисню - з 0,18 до 0,86%. Таким чином, в даному температурному інтервалі основними компонентами парогазового пузиря є молекулярний водень і водяна пара. Так як остання має високу окисну здатність, то при високих температурах можливе протікання реакції окислення металу безпосередньо водяною парою. Це дозволяє стверджувати, що в умовах підводного зварювання окислювання розплавленого металу відбувається переважно за рахунок безпосереднього контакту з водяною парою. Водень, що утвориться в результаті цієї реакції, буде частково розчинятися в металі. Особливість процесів взаємодії металу з газами в умовах підвищеного гідростатичного тиску полягає у збільшенні насичення металу шва як киснем (від 0,27% до 0,77%), так і воднем (від 2 см3/100 г до 38 см3/100 г) в діапазоні глибин 0,5...100 м. Загальна кількість водню в наплавленому металі значно менша, ніж можна було очікувати відповідно до закону Сівертса. Залежність вмісту кисню від тиску має пропорційний характер. Такий характер залежності свідчить, що в дослідженому діапазоні глибин вміст кисню залежить від протікання реакції утворення-розкладання оксиду вуглецю. Добуток концентрацій кисню і вуглецю залежить тільки від зовнішнього тиску і на підвищених глибинах неможливо одночасно одержати низьку концентрацію вуглецю й кисню в металі шва. Встановлено, що як в системі рутилового типу, так і в системі фторидно-карбонатного типу найменша кількість дифузійного водню досягається за рахунок введення доломіту - 10,45 см3/100 г та 8,33 см3/100 г відповідно. Визначено, що при використанні шихти флюорит-карбонатного типу для забезпечення ефективного зменшення вмісту водню сумарна частка мармуру та флюориту в шихті порошкового дроту повинна бути не менше 18%. Аналіз отриманих даних свідчить, що заміна рутилу флюоритом призводить до безперервного зменшення кількості водню, тоді як введення карбонатів найбільш ефективно при їх вмісті більше 20%. Така кількість карбонатів негативно відбивається на зварювально-технологічних властивостях дротів і може призвести до обмеження їх використання. Стосовно окиснення металу шва встановлено, що як і при зварюванні на повітрі ведення до складу шихти фтористих сполук призводить до зменшення концентрації кисню. Найбільш ефективно знижує кількість кисню флюорит - до 0,111%. Встановлено, що при зварюванні на прямій полярності ступінь насиченості воднем крапель електродного металу вище, ніж на зворотній, і зростає зі збільшенням величини струму. Виходячи з того, що частка наплавленого металу складає 50…60% від об'єму металу шва, то кількість водню, яка вноситься краплями до зварювальної ванни, перевищує його вміст у металі шва. Для дослідженого діапазону режимів це перевищення складає 113…141% і зменшується зі збільшенням струму. Тому можна зробити висновок, що на стадії ванни відбувається дегазація розплавленого металу, ступінь якої залежить від часу існування розплавленого металу. Зменшення потенціалу іонізації атмосфери дуги, яка горить в атмосфері аргону, призводить до зниження напруги дуги в умовах підвищеного тиску. При зварюванні на прямій полярності напруга дуги не залежить від глибини зварювання. Вплив тиску на розривну довжину дуги та час її існування носить однаковий характер - залежності мають мінімум в діапазоні глибин 40…60 м. Збільшення напруги холостого ходу призводить до підвищення напруги горіння дуги та її розривної довжини. Найменша розривна довжина дуги отримана при використанні прямої полярності. Зменшення потенціалу іонізації електродного проміжку незначно впливає на величину напруги стабільного горіння дуги. Найбільшу розривну довжину дуги та час існування дугового розряду зареєстровано при використанні порошкового дроту з добавкою солі цезію, який має найменший потенціал іонізації. Зі збільшенням глибини різниця між дротами з різними добавками зменшується і при тиску більше 3…4 ат залишається майже незмінною. Зі збільшенням тиску при зварюванні в повітрі струм поступово зростає - приблизно на 60%, а в гелії та аргоні залишається майже незмінним - підвищення на 10%. Напруга дуги практично не залежить від величини тиску, тільки в атмосфері гелію спостерігається її зростання після 5 атмосфера. Процес зварювання протікає з короткими замиканнями, частота і тривалість яких у повітрі та аргоні зростає на 30…40%, а у гелії знижується на 15%. При зварюванні у повітрі підвищення тиску спричинює погіршення стабільності горіння дуги - коефіцієнт варіації напруги збільшується на 80%, тоді як в атмосфері гелію та аргону спостерігається її стабілізація - зменшення коефіцієнту варіації на 20…35%. При зварюванні у нижньому діапазоні досліджених глибин (до 30…40 м) в захисних газах процес горіння дуги стабілізується і параметри переносу стають незалежними від тиску. Таким чином, введення у атмосферу парогазового пузиря солей лужних металів дозволило досить суттєво знизити коливання електричних параметрів дуги і зберегти стабільність процесу мокрого зварювання у діапазоні глибин до 100 м. Очевидно, наявність елементів з низьким потенціалом іонізації призвела до збільшення електропровідності "холодних" периферійних областей стовпа дуги, внаслідок чого стискування дуги зменшилось, що дозволило компенсувати дію підвищеного гідростатичного тиску. Зварювання дослідними дротами системи FeO-TiO2-CaF2 показало, що в умовах водного середовища залежності між температурою твердіння шлаку, формуванням металу шва і віддільністю шлакової корки не спостерігається. Що ж до покривної здатності та товщини шлакової корки, то більш прийнятні результати одержані при випробуванні шлакових систем з температурою твердіння шлаку 1150 - 1230?С. За зміною в'язкості шлаків досліджені системи можна характеризувати як короткі. Значення в'язкості коливалося в межах 1,5…2,3 Пз і її впливу на зварювально-технологічні властивості не спостерігалося. За результатами досліджень вибрана область складів покриття, які забезпечують найкращі зварювально-технологічними властивості: 10…30% FeO, 40…70% TiO2, 15…40% CaF2. При зварюванні низьколегованих сталей підвищеної міцності типу Х60 і 17Г1С встановлено, що зі збільшенням ступеня легування металу в дослідженому діапазоні границя міцності зростає до 624 МПа. Залежність величини відносного подовження має складний характер і досягає максимуму у 38,7% при значенні границі міцності 609 МПа. Виходячи із необхідності забезпечити мінімальні значення границі міцності 620 МПа, а відносного подовження - 30%, була вибрана наступна система легування металу шва: C-0,061%, Si -0,34%, Mn-1,2%, Mo-4,8%, Cr-13%, Ni-28%. При такому вмісті легуючих елементів метал шва має наступні механічні властивості: ?в = 624 МПа, ?т = 423 МПа, ? = 34%, ? = 49%, KCV-20?C = 100,6 Дж/см2. Розроблені електродні матеріали забезпечують отримання зварних з'єднань низьколегованих сталей підвищеної міцності у відповідності до вимог Специфікації з підводного зварювання AWS/ANSI D3.6, клас А. За контрактом їх виробництво буде налагоджено в Китаї. На сьогоднішній день вони вже використовуються взамін імпортних електродів в Україні і Росії. При цьому економічний ефект складає не менше 60 долларів США на 1 кг наплавленого металу. Опис продукції Електроди для підводного мокрго зварювання низьколегованих сталей підвищеної міцності Автори роботи Грецький Юрій Якович Лакомський Вадим Вікторович Додано в НРАТ 2020-04-02 Закрити