Разработка композиционных сварочных проволок с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов для дуговой сварки высокопрочных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат наук Майстро Алексей Сергеевич

• Майстро Алексей Сергеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Майстро Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ И СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1.1 Проблемы свариваемости высокопрочных сталей

1.2 Способы улучшения стабильности горения сварочной дуги и свойств сварных соединений высокопрочных сталей

1.3 Анализ влияния различных модификаторов на процесс дуговой сварки

и свойства сварных соединений

1.4 Выводы по первой главе

1.5 Задачи работы

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПРИ ВВЕДЕНИИ КОМПЛЕКСНЫХ МОДИФИКАТОРОВ

2.1 Механизмы модифицирования микроструктуры

2.2 Термодинамический анализ систем из фторидов и боридов редкоземельных металлов

2.3 Термодинамический анализ системы из фторидов редкоземельных металлов и гексаборидов щелочноземельных металлов

2.4 Термодинамический анализ системы из фторидов редкоземельных металлов и тугоплавких боридов металлов

2.5 Термодинамическое моделирование фазового состава сварочной ванны при введении фторидов и боридов РЗМ

2.6 Выводы по второй главе

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННОЙ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

3.1 Анализ конструкций активированных и композиционных сварочных проволок

3.2 Анализ технологий обработки поверхности стальных сварочных проволок

Стр.

3.3 Разработка электрохимической технологии нанесения композиционных покрытий

3.4 Описание опытной установки для нанесения композиционных покрытий

3.5 Выводы по третьей главе

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ СВАРОЧНЫХ ПРОВОЛОК С КОМПОЗИЦИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

4.1 Исследование химического состава и макроструктуры композиционных покрытий

4.2 Рентгеноструктурный анализ и сканирующая электронная микроскопия

4.3 Исследование процесса плавления композиционных сварочных проволок

4.4 Исследование сварочных токов и напряжений

4.5 Исследование влияния композиционных покрытий на глубину проплавления металла и ширину сварного шва

4.6 Выводы по четвертой главе

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СВАРОЧНЫХ ПРОВОЛОК С КОМПОЗИЦИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

5.1 Исследование механических свойств сварных соединений высокопрочных сталей

5.2 Исследование химического состава наплавленного металла при сварке высокопрочных сталей

5.3 Исследование микроструктуры сварных соединений высокопрочных сталей

5.4 Выводы по пятой главе

Общие выводы

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка композиционных сварочных проволок с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов для дуговой сварки высокопрочных сталей»

ВВЕДЕНИЕ

В мировой промышленности широко применяются легированные стали и сплавы, обладающие высокой прочностью, хладостойкостью, особыми эксплуатационными свойствами [1]. Производство ответственных конструкций из высокопрочных, специальных, структурированных сталей и сплавов со сложной системой легирования затрудняется их низкой свариваемостью, возникновением холодных трещин, наличием микрохимической неоднородности, ростом зерна в зоне термического влияния, образованием закалочных структур [2]. Эти явления резко снижают механическую прочность, пластичность и ударную вязкость сварных соединений, уменьшая тем самым надежность, работоспособность и ресурс эксплуатации нефтегазового, энергетического и судового оборудования транспортной техники [3].

Большой вклад в исследования свариваемости и разработку высокопрочных сталей и специальных сварочных материалов внесли ученые ведущих научных центров РФ, среди которых ЦНИИ КМ «Прометей», ЦНИИМ, ЦНИИ Чермет им. И.П. Бардина, ЦНИИТМАШ, ИМЕТ им. А.А. Байкова и др.

Академики Горынин И.В. и Лякишев Н.П. подчеркивали важность исследования проблем свариваемости высокопрочных и хладостойких сталей из-за снижения пластичности, ударной вязкости, возникновения холодных трещин [1;4-7]. В частности, известно, что в сварном шве и зоне термического влияния образуется крупнокристаллическая микроструктура (участки с микрохимической неоднородностью), что приводит к локальному охрупчиванию, уменьшению ударной вязкости и хладостойкости [4;8]. Укрупнение зерна снижает протяженность межзеренных границ и повышает их ширину, что уменьшает прочность межзеренных границ и их сопротивление при механических нагрузках в напряженном объемном состоянии [9-11]. При сварке закаливающихся легированных сталей сохраняется высокая вероятность зарождения и образования холодных трещин [8]. Причинами холодных трещин являются образование закалочных структур, уменьшение пластичности наплавленного металла, рост

зерна, наличие растягивающих напряжений и насыщение сварного шва водородом. Вероятность появления холодных трещин возрастает с увеличением концентрации различных примесей и остаточных газов в том числе кислорода и азота [12;13].

Основной задачей при сварке сталей с прочностью выше 550 МПа является обеспечение работоспособной микроструктуры сварного шва и зоны термического влияния с целью предотвращения образования холодных трещин, достижения высокой пластичности и ударной вязкости [4]. Это может быть достигнуто путем создания металлургических и термодинамических условий для образования мелкозернистой микроструктуры и игольчатого феррита при аустенитном превращении. Для достижения высокой эксплуатационной надежности сварных конструкций магистральных газопроводов, добывающих платформ для арктического шельфа, актуальным является разработка композиционных сварочных материалов, которые позволяют активно влиять на металлургические процессы, кристаллизацию сварочной ванны и модифицирование шва [14-19]. Для получения сварных швов с высокими механическими, эксплуатационными и специальными характеристиками необходима эффективная обработка сварочной ванны через процессы рафинирования, модифицирования и микролегирования с управлением объемной направленной кристаллизацией сварочной ванны с получением мелкозернистого однородного металла с минимальной сегрегацией примесей по границам зерен и микрохимической ликвационной неоднородностью [2;4;8]. Известно, что через сварочные материалы можно повысить стабильность горения дуги, процесса плавления сварочных материалов и основного металла, теплофизические свойства сварочной дуги, эффективность металлургических процессов [20-24]. При сварке происходит нагрев сварочных материалов, частицы из галогенидных солей и РЗМ испаряются. При этом вокруг сварочной дуги образуется ионизированная газовая фаза, которая в результате тепломассообмена и элементарных процессов ионизации, диссоциации и рекомбинации, изменяет теплофизические свойства дуги. Это приводит к увеличению глубины проплавления металла, изменению

процесса плавления металлов, механизму объемной кристаллизации сварочной ванны [7;13;21;25-29].

Частицы галогенидных солей и РЗМ в конденсированной и газовой фазе через металлургические реакции способны обогащать, микролегировать и рафинировать сварочную ванну, что улучшает механические свойства сварных соединений, увеличивает их прочность и пластичность [6;21]. В результате рафинирования (связывания примесей и легкоплавких эвтектик в тугоплавкие соединений и удаления остаточных газов) и модифицирования (измельчения зерна) происходит упорядоченное перераспределение РЗМ, наноразмерных частиц в объеме сварочной ванны с последующей управляемой объемной кристаллизацией сварного шва. Это может существенно улучшить механические, эксплуатационные и специальные характеристики сварных соединений высокопрочных сталей [6].

Таким образом, свариваемость современных сложнолегированных сталей высокой прочности требует разработки специальных сварочных материалов, которые обеспечивают активную металлургическую обработку сварочной ванны и формирование заданной микроструктуры. При этом влияние галогенидосодержащих соединений РЗМ в составе сварочных материалов на процесс дуговой сварки, механизмы формирования и модифицирования микроструктуры сварных соединений высокопрочных сталей исследованы недостаточно, что обуславливает актуальность настоящей работы.

На основании вышеизложенного сформулирована цель работы:

Цель работы: Улучшение технологических свойств сварочной дуги, ударной вязкости и микроструктуры сварных соединений высокопрочных сталей путем разработки композиционных сварочных проволок с редкоземельными модификаторами микроструктуры.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты термодинамического моделирования металлургических процессов и фазового состава сварочной ванны и плазмы сварочной дуги при дуговой сварке при введении фторидов и боридов редкоземельных и щелочноземельных металлов через расплавление композиционной проволоки.

2. Конструкции и состав композиционных сварочных проволок для дуговой сварки высокопрочных сталей, технология и оборудование для их производства методом электрохимической обработки в коллоидных электролитах с дисперсионной фазой.

3. Результаты исследований сварочно-технологических свойств композиционных проволок, свойств и микроструктуры сварных соединений высокопрочных сталей.

Научная новизна работы:

1. На основе термодинамического моделирования металлургических процессов и фазового состава сварочной ванны обнаружено, что при плавлении композиционного покрытия проволоки с частицами фторидов и боридов редкоземельных и щелочноземельных металлов в сварочной ванне в результате металлургических процессов образуются термодинамически устойчивые тугоплавкие оксиды и сульфиды редкоземельных и щелочноземельных металлов, которые влияют на процесс первичной кристаллизации и приводят к измельчению микроструктуры сварного шва.

2. Термодинамическим моделированием подтверждена возможность интенсификации рафинирования сварочной ванны, уменьшения концентрации легкоплавких сульфидов и кислорода при использовании композиционных проволок с введением частиц типа (РЗМ^п-(РЗМ)Вб; (РЗМ)Fn-(Ca,Ba,Sr,Mg)B6; (РЗМ^п-(Т^г)В2, образующих в сварочной ванне тугоплавкие оксиды и сульфиды редкоземельных и щелочноземельных металлов.

3. Расчетно-экспериментальным путем обнаружена возможность увеличения теплопроводности плазмы сварочной дуги, улучшения стабильности горения дуги, характеристик капельного переноса и увеличения глубины проплавления металла за счет увеличения теплопроводности и ионизации плазмы при насыщении плазмы парами диссоциации частиц фторидов и боридов редкоземельных и щелочноземельных металлов, расположенных внутри композиционного никелевого покрытия на поверхности сварочных проволок.

Практическая ценность результатов:

1. Разработаны и внедрены в промышленное производство конструкции и составы композиционных сварочных проволок с композиционными покрытиями, содержащими фториды и бориды редкоземельных и щелочноземельных металлов в металлической матрице, на которые получены 3 патента РФ на изобретения. Подтверждённый суммарный экономический эффект от внедрения составил около 1470000 рублей в год за счет улучшения качества продукции и снижения брака.

2. Разработана технология и оборудование для электрохимического нанесения композиционных покрытий на поверхность стальных проволок малого диаметра в коллоидных электролитах, содержащих смеси дисперсных фторидов и боридов редкоземельных и щелочноземельных металлов.

3. Применение композиционных сварочных проволок позволило улучшить стабильность горения сварочной дуги, увеличить глубину проплавления металла и увеличить ударную вязкость сварных соединений высокопрочной стали К60 по шву до 17-64 %, на границе шва до 7-21 %.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на научном семинаре кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2019 г.), научных семинарах кафедры «Теория и технологии сварки материалов» ФГАОУ ВО «СПбПУ» (Санкт-Петербург, 2015-2018 гг.), III Санкт-Петербургской международной НТК «Сварочные материалы-2015», международной конференции по судостроению и разработке высокотехнологичного оборудования для освоения Арктики и континентального шельфа Offshore Marintec Russia (Санкт-Петербург, 2016), VIII отраслевом совещании «Состояние и основные направления развития сварочного производства ПАО «ГАЗПРОМ» (Москва, 2016 г.), международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение передовых технологий сварки и контроля качества сварных соединений на предприятиях нефтегазовой отрасли», (Санкт-Петербург, 2017), II Всероссийской

научно-практической конференции, посвященной 80-летию д.т.н., профессора А.П. Аммосова (Якутск, 2017).

Участие в выполнении НИР

Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись соискателем в ФГАОУ ВО «СПбПУ» в рамках Российско-Финского проекта «Energy-efficient systems based on renewable energy for Arctic conditions» (EFREA), 2018-2019 гг., а также в 2015-2016 гг. в рамках хоздоговорных НИР № 203315501 и № 203315502 по заказу ООО «ГазпромВНИИГАЗ» по разработке СТО Газпром 2-2.3-1104-2017 и СТО Газпром 2-2.3-1155-2018.

Внедрение результатов в производство

Результаты исследований и композиционные сварочные проволоки с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов внедрены в промышленное производство при дуговой сварки высокопрочных сталей класса прочности К60-К65 на предприятии ООО «ТЭК-Консалтинг» (Санкт-Петербург) при сварке трубопроводов, в акционерном обществе АО «ОКБ Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова (Санкт-Петербург) при производстве ответственных высокопрочных конструкций, в ПК «ЦНТУ «Прометей» при ФГУП РНЦ «ЦНИИ КМ «Прометей» (Санкт-Петербург) при производстве судостроительной техники, положительное заключение о возможности внедрения представлено ООО «РСЗ МАЦ» (Санкт-Петербург). Подтверждённый суммарный экономический эффект от внедрения составил около 1470 тыс. рублей в год за счет улучшения качества продукции и снижения брака.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получены 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 100 наименования. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 139 рисунков и 54 таблицы.

Глава 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ И СВОЙСТВ СВАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

1.1 Проблемы свариваемости высокопрочных сталей

Известно, что технологическая свариваемость - это способность металлов под воздействием термодеформационного цикла сварки образовывать сварное соединение с заданными механическими, эксплуатационными и специальными свойствами [30].

Для оценки склонности сталей к образованию холодных трещин в практике используют показатель эквивалента углерода, рекомендуемый Международным институтом сварки (МИС), а также [31]:

(1.1)

где С, Мп, Сг, Мо, V, М, Си - процентное содержание в наплавленном металле сварного шва, соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля и меди. При этом большинство высокопрочных сталей бейнитного класса имеют эквивалент углерода более 0.4, следовательно, обладают ограниченной свариваемостью, требуют проведения предварительного подогрева и склонны к образованию холодных трещин [30].

Холодные трещины (ХТ) образуются в сварных соединениях при охлаждении до температуры менее 200 оС. Согласно исследованиям, появление холодных трещин вызывают следующие причины: увеличение размера аустенитного зерна, наличие растягивающих напряжений I и II рода, насыщенность металла шва водородом, наличие в микроструктуре шва закалочных структур мартенсита и бейнита. Обработкой экспериментальных данных Макаровым Э.Л. получены критические сочетания факторов, которые характеризуют потенциальную способность сталей к образованию ХТ. Основными параметрами критического структурно-водородного состояния являются: критическое количество мартенсита Мкр, %; содержание углерода в

стали С, %; концентрация диффузионного водорода Нд, см /100 г. Связь между этими параметрами описывается выражением:

М кр = 460С2 + 45 5 С Нд + 2 1 6 Нд2 - 5 2 6С - 45 6Нд + 1 6 9 (1.2)

Исследования так же показывают, что образование холодных трещин происходит при определенном содержании углерода, мартенсита и диффузионного водорода. В сталях с содержанием менее 0,2 % углерода склонность к замедленному разрушению проявляется при определенном критическом сочетании мартенсита и диффузионного водорода. При высоком содержании водорода, склонной к замедленному разрушению становится структура бейнита, при отсутствии мартенсита.

Стойкость низколегированных сталей с содержанием углерода 0,07. ..0,22 % и пределом текучести 500...700 МПа можно также оценить по критерию трещиностойкости Рс, согласно параметрического уравнению Ито-Бессио:

= + ^ + ^ + ^ + ^ + ^ + ^ + ! + £. (1.3)

с 30 20 20 60 20 15 20 600 60

-5

где: 8 толщина металла, мм; Н - концентрация водорода в шве, см /100 г.

В целях повышения сопротивления образованию ХТ рекомендуется регулирование микроструктуры: уменьшение размера аустенитного зерна, снижение микрохимической неоднородности на границах зерна, уменьшение количества и увеличение дисперсности мартенсита и нижнего бейнита, снижение количества остаточных газов, включая водород, кислород и азот. Для уменьшения образования холодных трещин следует обеспечивать получение смешанной перлитно-мартенситной, бейнитно-мартенситной или бейнитной структуры, уменьшать количество мартенсита и нижнего бейнита, размер аустенитного зерна, снижать микрохимическую неоднородность и сегрегацию примесей на границах зерен, предотвращать выделение дисперсных фаз в виде карбидов, карбонитридов, интерметаллидов, применять низкий и высокий отпуск.

Диаграмма анизотермического превращения стали Х60 в зависимости от скорости охлаждения в интервале температур 800...500°С при скорости охлаждения 100.2,7 °С/с, показывает, что превращение аустенита происходит

преимущественно с образованием мартенсита и бейнита, Рис. 1.1. В широком диапазоне скоростей охлаждения формируется бейнитная составляющая, которая даже при скорости охлаждения 1,6...0,3 °С/с составляет 60...45 %. Доля формирования ферритной и перлитной составляющих достигает до 10% при W8/5 = 36...14°С/с и до 20% при W8/5 = 5...2,7°С/с.

т,°С Ас, = 720°С; Ас =860°С, ТН=1350°С; \Л/н=150°(?/с

1 2 3 4 5 6 8 10 2 3 4 5 6 8 102 2 3 4 5 6 8 103т Рис. 1.1. Диаграмма анизотермического превращения стали типа Х60 в зависимости от скорости охлаждения образцов Wo (° С/сек): HV - твердость, М - мартенсит, МН - начало мартенситного превращения, Б - бейнит, П - перлит, Ф -феррит. Цифрами обозначено количество соответствующей структурной составляющей

Как правило, высокая прочность стали достигается за счет снижения пластичности и трещиностойкости [32]. Известно, что существует связь между погонной энергией, размером зерна, химическим составом и ударной вязкостью разрушения. Сварные швы с меньшим количеством С и Мо содержат меньшее количество форм игольчатого и полигонального феррита и доли составляюшей

мартенсита-аустенита МА. Такие образцы имеют более высокую ударную вязкость при низких температурах.

Ли и др. [33] исследовал влияние времени охлаждения на размер зерна в зоне термического влияния. Исследования показали, что микроструктура в стали X70, главным образом, состоит из полигонального и реечного бейнита, с наличием составляющих МЛ. Оптимальное время охлаждения равно 8 секунд для 18/5 для стали Х70 в соответствии с Рис. 1.2 [34].

Повышенное содержание молибдена в стали Х70 увеличивает количество бейнита при определенной скорости охлаждения [35]. Ударная вязкость сталей с высоким содержанием микролегирующих элементов ухудшается при увеличении погонной энергии.

Рис. 1.2. Диаграмма анизотермического превращения стали ЛР1-Х70 [34]

1.2 Способы улучшения стабильности горения сварочной дуги и свойств сварных соединений высокопрочных сталей

Для улучшения стабильности горения сварочной дуги и свойств сварных соединений высокопрочных сталей можно использовать способы металлургического воздействия через введение специальных сварочных материалов. В частности, для улучшения качества шва и увеличения

проплавляющей способности дуги применяют введение кристаллических и газообразных галогенидов, вызывающие значительный рост напряжения и плотности тока в дуге [36].

В качестве газовых, парообразных и жидких активирующих сред применяли смеси инертных газов с 02, К2, Н2, С12, С02, 802, галогенидами серы, бора, углерода, фреонами систем С-С1-Б, С-Бг-Б, С-Б [37], водяным паром, аммиаком, парами угольной и соляной кислоты, полимерами.

Для увеличения проплавления разработали смеси аргона с газами: 02, N2, СО2, С12 [38;39], газообразными фторидами [40], хлоридами [41], хладонами [42;43;], газообразными фторидами и хлоридами: BF3, СБ4, 8Б5, 8Е6, БС13, СС12Б2 [44;45;46;] .

В работе [44] вводили SF6 при концентрации 1,5.2,5 % для увеличения мощности дуги на 30.50 %. При введении до 5 % 8Е6 в аргон напряжение, мощность и глубина проплавления увеличились. Прирост Нпр для стали 25ХСНВФА составил 60 %, для сплава ОТ4 - 300 %. Исследовали так же смеси аргона с фреоном, азотом, С02, элегазом при концентрации до 3 %. Максимальное проплавление обеспечила смесь гелия с 8Е6, затем аргона с 8Е6, следом аргона с СС12 Б2 и аргона с С02. Введение азота и гелия вызвало почти линейное увеличение напряжения дуги с ростом их концентрации. Введение в аргон 0,02. 0,5 % BF3 увеличило напряжение дуги на 1.2 В, как в столбе дуги так и в приэлектродных областях. Аналогично действуют газообразные соединения WF6, 8Е6, пары SiQ4, СС14 и др.

В работе [37] изучали процесс сварки плавящимся электродом в смеси аргона и фреонов С-С1-Б, С-Бг-Б, С-Б при содержании до 2 %. Фреоны положительно влияли на стабильность горения дуги, перенос металла и формирование шва.

В работе [41] при плазменной сварке вводили 1.5 % хладона-12 (СС12Б2) или хладона-14 (СБ4). Хладоны увеличили глубину проплавления в 2.2,8 раза, а степень их влияния зависела от свойств материала. Введение хладона-12 при сварке инконеля увеличило предел текучести на 22.32 %.

Фториды успешно использовали для увеличения плотности тока и проплавления титановых сплавов [47]. Полученный эффект объяснили активным взаимодействием флюса с основным металлом и образованием термоустойчивых до 5000 К соединений TiFn, способных к эффективному захвату электронов. В зависимости от состава флюса проплавление увеличили в 2.3 раза при более высокой стабильности процесса сварки и качестве формирования шва. Для сварки титановых сплавов применяют соединения (SrF2-LiF), (CaF2-MgF2), (CaF2-LiF-LaF3); для сварки аустенитной стали системы: CaF2-LiF, TiO2-MgO-LiF; для сталей перлитного класса TiO2-MgF2. Данные флюсы увеличили напряжение дуги на 1.4,7 В, а проплавление в два раза [48].

Кристаллические фториды активно взаимодействуют с металлом сварочной ванны, десорбируют водород и кислород, предупреждают образование газовых пор [49].

Влияние флюса ФС-71 (57,3 % SiO2; 6,4 NaF; 13,6 % ТЮ2; 13,6 % Ti; 9,1 % Cr2O3) на плотность тока и давление плазмы изучали при сварке стали Х18Н10Т [50]. Эффективность флюсов увеличивается с ростом потенциала ионизации металла, входящего в галогенид и с увеличением весовой доли галогена в соединении.

Фториды влияют на проплавление титана и железа-армко [51]. По спектру определяли свечение линий возбужденных атомов Til, FeI и ионов Till, Fell. Максимальное влияние в 1,2.1,3 раза, на почернение линий возбуждения железа-армко оказали NaF, AlF3. По мере увеличения проплавления сплава ОТ-1 фториды расположили в ряд: BaF2, LiF, CaF2, MgF2, NaF, AlF3, а при сварке железа-армко BaF2, CaF2, LiF, MgF2, AlF3, NaF. Заметно, что характер распределения фторидов в рядах коррелируется с величиной энтальпии диссоциации молекул (разрыва связей).

Влияние фторидов на стабильность горения дуги исследовали в составе порошковой проволоки. В проволоку 0 1,8 мм, содержащую шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие и легирующие компоненты вводили CaF2, MgF2, AlF3, NaSiF6, NaBF4, KBF4. В работе [52] исследовали дугу: при введении CaF2

диаметр дуги уменьшился на 8 %, а плотность тока увеличилась. С ростом тока от 100 до 300 А плотность тока достигала максимума при введении 8.. .17 % СаБ2.

Диаметр столба дуги с введением 8.17 % СаР2 и токе 100 А уменьшился с 2,6 мм

2 2 при плотности тока 19 А/мм до 2 мм при плотности тока 30 А/мм , при токе 200

А диаметр столб дуги уменьшился с 4,2 мм до 3,1 мм.

Л

При сварке меди М§Е2-МпР2-АШ3 в количестве 10 мг/см наносили на свариваемые кромки. В среде аргона скорость сварки и глубина проплавления увеличились на 30 %. В другой работе, при сварке меди вводили фториды Ы, Ва, Са, М§, Мп, А1, что увеличило напряжение дуги на 0,2.2 В при токе 100 А и на 0,5.3 В при токе 300 А.

Для аргонодуговой сварки магниевых сплавов использовали хлориды ЫС1, СаС12, СёС12, РЬС12, СеС12. Введение хлоридов увеличило температуру дуги и глубину проплавления металла, что объяснили увеличением теплоотвода при перераспределении теплоты, выделяемой при реакциях флюса.

Влияние галогенидов на процесс сварки плавящимся электродом анализируется в работах [20;21;22;23;24;]. В работе [24] выполнили сварку плавящимся электродом Св-08Г2С по слою флюса в среде аргона, СО2 и смеси Аг - 85 % + СО2 - 15 %. В смеси газов флюс увеличил проплавление в 1,2.1,6 раза, а в среде аргона в 1,8 раза.

Свойства сварных соединений сталей 25ХСНМВФА и 42Х2ГСНМА толщиной 5 мм исследовали после аргонодуговой сварки с применением флюса ВС-2 [53]. Однослойные швы отличались малым поперечным сечением, строением и направлением роста первичных кристаллитов. В работе [54] исследовали свойства швов стали 42Х2ГСНМА. При сварке с галогенидами снижалось содержание С, Мп, Сг, Б, увеличивалось сопротивление холодным трещинам, обеспечивалась мелкозернистая структура с хорошими механическими характеристиками.

В работе [55] сваривали стыковые соединения пластин из стали 12Х18Н10Т толщиной 12 мм без разделки кромок по флюсам ФАСТ-1 и ФС-300 с углублением дуги в металл. Средняя прочность шва составила 580 МПа при

прочности основного металла 590 МПа, угол изгиба образцов составил 140 градусов. Образцы имели мелкозернистую, дезориентированную микроструктуру с тонкими границами зерен и небольшими выделениями карбидной фазы.

Известно, что введение галогенидов улучшает свойства шва за счет микролегирования, рафинирования, удаления оксидов, направленной кристаллизации, уменьшения зоны термического влияния [54;56;97;98;]. Другим преимуществом флюсов, является уменьшение газонасыщения сварного шва водородом, за счет химического связывания водорода и воды в околодуговом пространстве галогенидных соединений [46;56;57;]

Введение в состав шихты порошковых проволок комплексных фторидов щелочных металлов, например, гексафторалюмината натрия №3АШ6 с низким

Л

поверхностным натяжением - около 130 мДж/м обеспечивает мелкокапельный перенос металла. Этот эффект возникает в результате частичной диссоциации соединения по реакции: №3АШ6 = 2NaF + NaA1F4. Тетрафторалюминат натрия NaA1F4 имеет низкую температуру плавления и низкое поверхностное натяжение

Л

- около 86,6 мДж/м , концентрируется в поверхностном слое шлака и способствует уменьшению межфазного натяжения расплавленного металла [58]. В результате этого снижается диаметр капель при плавлении порошковых проволок и увеличивается частота капельного перехода.

В итоге разложения и испарения №3АШ6 вокруг сварочной дуги образуются газообразные соединения NaF, А1Б3, А1Б2, АШ, которые изменяют химический состав защитной газовой атмосферы. Давление газообразных фторидов в плазме увеличивается с ростом концентрации АШ3, который обладает наиболее высокой упругостью пара. Насыщение газовой атмосферы фторидами способствуют реакциям по связыванию водорода. Аналогичное действие оказывает введение в состав шихты гексафторалюмината лития Ы3АШ6, который при сварке диссоциирует на соединения LiF, АШ3, АШ2, АШ, а также гексафторалюмината калия К3АШ6, который при сварке диссоциирует на соединения СТ, АШ3, АШ2, АШ. Аналогичное влияние по связыванию воды и водорода оказывают

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Майстро Алексей Сергеевич, 2020 год

Список литературы

1. Горынин И.В., Хлусова Е.И. Наноструктурированные стали для освоения месторождений шельфа Северного Ледовитого океана // Вестник РАН. №12. 2010. С. 1069-1075.

2. Орышенко А.С., Хлусова Е.И., Шарапов М.Г. Принципы легирования, структура, свойства и свариваемость конструкционных низколегированных сталей для судостроения и морской техники. СПб.: Издательство Политехнического университета. 2016. С.116.

3. Кузеев И.Р., Диньмухаметова Л.С., Пояркова Е.В. Прогнозирование безопасности эксплуатации сварных конструкций в условиях нефтесодержащих сред // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». №6. 2011. 254 с.

4. Хладостойкие стали для технических средств освоения арктического шельфа / И.В. Горынин [и др.]. // Вопросы материаловедения. № 3. 2009. С. 108125.

5. Лякишев Н.П., Алымов М.И. Наноматериалы конструкционного назначения // Российские нанотехнологии. Т. 1. №1-2. 2006. С. 71-81.

6. Лякишев Н.П. Нанокристаллические структуры - новое направление развития конструкционных материалов // Вестник Российской Академии наук. Т.73. № 5. 2003.

7. Патент 2387527 РФ. Состав порошковой проволоки для сварки труб категории прочности Х90 / Горынин И.В., Малышевский В.А., Бишоков Р.В. [и др.] Опубл. 27.04.2010.

8. Макаров Э. Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. М.: Машиностроение. 1981. 247 с.

9. Морозов Ю.Д., Настич С.Ю., Матросов М.Ю., Чевская О.Н. Применение термомеханической обработки для повышения прочности и хладостойкости высокопрочных трубных сталей // Черная металлургия №4 (1360). 2013. С. 65-67.

10. Лякишев Н.П., Микролегирование и модифицирование - эффективный путь повышения качества стали / Н. П. Лякишев, Д.А. Литвиненко // Вестник российской академии наук. №8. 1982. С. 59-69.

11. Юркинский С. В. Разработка низколегированных электродов, обеспечивающих высокую хладостойкость сварных соединений корпусных конструкций из сталей типа АБ: дисс. канд. техн. наук // С. В. Юркинского. 2009. 179 с.

12. Koukabi A. H., North T. H., Bell H. B. Flux Formulation, Sulphur, Oxygen, and Rare Earth Additions in Submerged Arc Welding. Proceedings, Trends in Steels and Consumables for Welding. London. 1978. P. 281-297.

13. Onsoien M.I., Liu S., Olson D.L. Shielding Gas Oxygen Equivalent in Weld Metal Microstructure Optimization. // Welding Journal 75(7). 1996. P. 216-224.

14. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама / Г.Н. Соколов [и др.]. // Физика и химия обработки материалов. №6. 2009. С. 41-47.

15. Паршин С.Г. Металлургия подводной и гипербарической сварки // Паршин С.Г. СПб.: Издательство Политехнического университета. 2016. 402 с.

16. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия. 1986. 272 с.

17. Гольдштеин Я.Е., Мизин В.Г. Иннокулирование железоуглеродистых сплавов. М: Металлургия. 1993. 416 с.

18. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия. 1986. 544 с.

19. Паршин С.Г. Наноструктурированные и активирующие материалы для дуговой сварки // С.Г. Паршин. СПб.: Издательство Политехнического университета. 2013. С. 624.

20. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение. 1989. 264 с.

21. Патон Б.Е., Воропай Н.М. Сварка активированным плавящимся электродом в защитном газе //Автоматическая сварка. №1. 1979. С. 1-7.

22. А.с. № 671960 (СССР). Электродная проволока / Патон Б.Е., Воропай Н.М., Бучинский В.Н. [и др.] от 01.12.77.

23. А.с. № 517441 (СССР). Сварочная электродная проволока / Патон Б.Е., Воропай Н.М., Бучинский В.Н. [и др.] от 28.05.74.

24. Дудко Д.А., Савицкий А.М., Савицкий М.М. Сварка плавящимся электродом в защитных газах с применением активирующего флюса. // Автоматическая сварка. №10. 1986. С. 54-55.

25. Задиранов А.Н., Кац А.М. Теоретические основы кристаллизации металлов и сплавов. Москва: РУДН. 2008. 225 с.

26. А.с. № 1447619 (СССР). Патон Б.Е., Мусияченко В.Ф., Кирьяков В.М. [и др.] от 08.10.1986. Опубл. 30.12.1988. Бюл. №48.

27. А.с. № 469565 (СССР). Сварочная проволока / Сидлин З.А., Строев В.С., Иванов В.А. [и др.] от 05.09.1975. Опубл. 05.05.1975. Бюл. №17.

28. А.с. № 961906 (СССР). Состав сварочной проволоки для сварки чугуна / Потапов Ю.С., Краля В.Д., Коростиль А.П. [и др.] от 08.04.1981. Опубл. 30.09.1982. Бюл. №36.

29. Пат. 1061962 СССР. Проволока для сварки в среде защитных газов / Ульянов В.И., Гречанюк Н.И., Кривасов А.К. [и др.] Авторское свидетельство от 17.05.1982. Опубл. 23.12.1983. Бюл. 47.

30. Макарова. Э. Л. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. 1. Свариваемость материалов: Справ. изд. / Под ред. Э. Л. Макарова. М.: Металлургия. 1991. 528 с.

31. BS EN 1011-2:2001 - Welding. Recommendations for welding of metallic materials. Arc welding of ferritic steels. // Standard by British-Adopted European Standard. 03.15.2001.

32. Hwang B., Kim Y.M., Lee S, Kim N.J., Ahn S.S. Correlation of microstructure and fracture properties of API X70 pipeline steels // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2005. P. 36.

33. Microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone of domestic X70 pipeline steel during in-service welding / C. Li [и др.]. // J Mater Sci. 2011. P. 46.

34. Onsoien M.I., M'Hamdi M., Mo A. A CCT Diagram for an Offshore Pipeline Steel of X70 Type // Welding Journal. 2009. P. 30.

35. Kinetics of Austenite Transformation and Bainite Structure Formation during Strain-Heat Hardening of Low-Perlite Steel X70 (Х65) (API 5L Gr X-60, API 5L Gr X-70) Plates for Gas Pipelines / V.I. Spivakov [и др.]. // Metall. Min. Ind. 2010. P. 2.

36. Бадьянов Б.Н., Давыдов В.А., Иванов В.А. Некоторые характеристики дуги, горящей в аргоне с добавкой галоидсодержащего газа // Автоматическая сварка. №11. 1974. 67 с.

37. Bicknell A.C., Patchett B.M. GMA welding of aluminum with argon/Freon shielding gas mixtures // Welding Journal. Vol. 64. №5. 1985. P. 21-27.

38. Creswell R.A. Gases and gas mixture in MIG and TIG welding // Welding and Metal Fabrication. 40. №4. 1972. P. 114-119.

39. Пат. 3089949 США. Arc welding and article/ Ludwig H.G.

40. Becher W., Massone J. Beitrag zur zersetzung von Schwefelhexafluorid in elektrischen Lichtboden und Funken // Elektrotechnische Zeitschrift 91. № 11. 1970. P 605-610.

41. Lundin C.D., Ruprecht W.J. The effect of shielding gas additions on the penetration characteristics of plasma-arc welds // Welding Journal. 56. № 1. 1977. P. 17.

42. Пат. 48-29025 Япония. Способ дуговой сварки в среде защитных газов плавящимся электродом. / Tanaka M.

43. Пат. 48-388 Япония. Способ дуговой сварки в среде защитных газов плавящимся электродом / Sudsuki I.

44. Выбор состава смеси для увеличения проплавляющей способности дуги / Б.Н. Бадьянов [и др.]. // Сварочное производство. №4. 1977. С. 26-28.

45. Бадьянов Б.Н., Давыдов В.А., Колупаев Ю.Ф. Использование газообразных галоидных соединений при сварке плавлением // Сварочное производство. №4. 1982. С. 16-17.

46. Бадьянов Б.Н. Физико-химические процессы при сварке изделий специальной техники. Диссертация д.т.н. М. 1978. 418 с.

47. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов / С.М. Гуревич [и др.]. // ^ев. Наукова думка. 1986. 240 с.

48. Николаев Г.А. Сварка в машиностроении. Справочник. Т.1., Т.3. Под ред. Ольшанского Н.А., Зорина Ю.Н. М.: Машиностроение. 19V8-19V9. 504 с. 512 с.

49. Gurevitch S.M. Metallurgical and technological features of titanium alloys welding, when using fluxes // Proc. Of the 2-d Internat. Titanium Congress. Cambridge. Massachusetts. 1972.

50. Влияние активирующих флюсов на проплавляющую способность сварочной дуги и концентрацию энергии в анодном пятне / О.Е. Островский [и др.]. // Сварочное производство. №3. 19VV. С. 3-4.

51. Исследование свечения паров анода для оценки технологических характеристик дуги в аргоне/ Л.И. Ерошенко [и др.]. // Автоматическая сварка. №9. 19V9. С. 33-35.

52. Лапин И.Л., Туркин П.С., Самсонов В.И. Влияние плавикового шпата на структуру дуги, горящей в атмосфере воздуха // Сварочное производство. №4. 19V8. С. 1-2.

53. Савицкий М.М., ^шниренко Б.М., Лупан А.Ф. Особенности формирования шва при сварке по слою активирующего флюса // Автоматическая сварка. №2. 1981. С. 19-21.

54. Савицкий М.М., ^шниренко Б.Н., Олейник О.Н. Особенности сварки сталей вольфрамовым электродом с активирующими флюсами // Автоматическая сварка. №12. 1999. С. 18-22.

55. Паршин С.Г. Электродуговая сварка с применением активирующих флюсов. Самара. Издательство Самарского научного центра РАН. 2005. 380 с.

56. Походня И.К Газы в сварочных швах. М.: Машиностроение. 19V2. 256 с.

57. Kakovkine O.S. Role des fluorures dans le soudage a l'ars // IIW Doc. № 11-F-634-84. P. 11.

58. Лепинских Б.М., Манаков А.И. Физическая химия оксидных и оксифторидных расплавов. М.: Наука. 1977. 192 с.

59. Evans G. The Effect of Titanium in SMA C-Mn Steel. Multipass Deposits. // Welding Journal 71 (12). 1992. P. 447-454.

60. Evans G. The Effect of Titanium in Manganese-Containing SMA Weld Deposits. // Welding Journal 72 (3). 1993. P. 123-133.

61. Tsuboi J., Terashima H. Review of strength and toughness of Ti and Ti-B microalloyed deposits (en) Welding in the world. // Le Soudage dans le monde. 1983. Vol 21. Num. 11/12. ref : 33. P. 304-317.

62. Oh D.W. and Olson D. L. The Influence of Boron and Titanium on Low Carbon Steel Weld Metal // Welding Journal. 1990. № 4. P.151-158.

63. Evans G. Microstructure and Properties of Ferritic Steel Welds Containing Ti and B. // Welding Journal.72 (8). 1996. P. 251-260.

64. Oh D.W., Olson D.L., Frost R.H. Nucleation Mechanism of Acicular Ferrite in Low Carbon Steel Weld Metal // PED 51. Welding and Joining Processes. Book No. H00684. 1991.

65. Efimenko N.G. The Use of Rare Earth Metals in the Coatings of Welding Electrodes. // Welding Production. 27 (7). 1980. P. 47-49.

66. Efimenko N.G., Kalin N.A. The Deoxidizing Ability of Rare Earth Metals in Comparison With Deoxidizing Agents. // Svar. Proiz. (10). 1978. P.1-2.

67. Shiliang W., Weiping H., Bogang T. Improving the Toughness of Weld Metal by Adding Rare Earth Elements. // Welding International 3. 1986. P. 284-287.

68. Snyder J.P., Pense A.W. The Effects of Titanium on Submerged Arc Weld Metal. // Welding Journal. 61 (7). 1982. P. 201-211.

69. Evans G.M. Effect of manganese on the microstructure and Properties of all Weld-Metal deposits. // Welding Journal 69 (3). 1980. P. 67-75.

70. Zhang Z., Farrar R.A. Influence of Mn and Ni on the Microstructure and Toughness of C-Mn-Ni Weld Metals. // Welding Journal 76 (5). 1997. P. 183-196.

71. Ahlblom B. Oxygen and its Role in Determining Weld Metal Microstructure and Toughness. A State of the Art Review. Reprinted in ASM Handbook. // ASM International. International Institute of Welding. 1984. Vol. 6. Doc. №. IX-1322.

72. Пат. 2538228 РФ. Наноструктурированная сварочная проволока / Паршин С.Г. Патент от 01.07.2013. Опубл. 10.01.2015. Бюл. №1.

73. Холлек Х. Двойные и тройные карбидные и нитридные системы переходных металлов. / Под ред. Левинского Ю.М., М. Металлургия. 1988. 319 с.

74. А.с. № 1696231 (СССР). Сварочная электродная проволока / Патон Б.Е., Воропай Н.М., Никифоров Б.А. [и др.] от 09.02.1987. Бюл. №45 от 07.12.1991.

75. А.с. № 462683 (СССР). Сварочная проволока / Кладницкая К.Б., Иванова Н.Д., Ульянов В.И., [и др.] от 02.04.73.

76. Пат. 1413131 Франция. Проволока для сварки в среде защитных газов / Ульянов В.И., Гречанюк Н.И., Кривасов А.К. [и др.] Опубл. 30.08.65.

77. Воропай Н.М. Особенности и технологические возможности процессов сварки в защитных газах активированным плавящимся электродом // Сварочное производство. 1994. №4. С. 9-13.

78. А.с. № 916191 (СССР). Проволока для сварки / Воропай Н.М., Бучинский В.Н., Костенюк Н.И. [и др.] от 02.02.80.

79. Прилуцкий В.П., Замков В.Н., Гуревич С.М. Аргонодуговая сварка титановых сплавов с применением присадочной порошковой проволоки // Автоматическая сварка. 1975. №7. С. 41-44.

80. Пат. 2294272 РФ. Сварочная активированная проволока / Паршин С.Г., Паршин С.С. Опубл. 27.02.2007.

81. Пат. 2415742 РФ. Наноструктурированная композиционная проволока / Паршин С.Г., Паршин С.С. Опубл. 10.04.2011.

82. Пентагональные нанотрубки, формирующиеся при электрокристаллизации металлов / А.А. Викарчук [и др.]. // Материаловедение. 2005. №3. С. 42-47.

83. Викарчук А.А., Ясников И.С. Структурообразование в наночастицах и микрокристаллах с пентагональной симметрией, формирующихся при электрокристаллизации металлов. Тольятти: ТГУ. 2006. 206 с.

84. Пат. 2355543 РФ. Композиционная электродная проволока / Паршин С.Г. Опубл. 09.07.2007. Бюл. №14 от 20.05.2009.

85. Пат. 2416504 РФ. Композиционная сварочная проволока / Паршин С.Г. Опубл. 20.04.2011.

86. Пат. 2538875 РФ. Наноструктурированная порошковая проволока / Паршин С.Г. Опубл. 10.01.2015.

87. Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. М.: Химия. 1977. 272 с.

88. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера. 2005. 336 с.

89. ГОСТ 3560-73. Лента стальная упаковочная. Технические условия. М.: Издательство стандартов. 1976. 5 с.

90. Сварка порошковой проволокой / И.К. Походня [и др.]. // Киев: Наукова думка. 1972. 224 с.

91. Качанов Е.Б. Состояние и перспективы развития работ по жаропрочным сплавам для лопаток турбин // Технология легких сплавов. 2005. №1-4. С. 10-17.

92. Пат. 2538227 РФ. Наноструктурированная наплавочная проволока / Паршин С.Г. Опубл. 10.01.2015. Бюл. №1.

93. Лейначук Е.И. Электродуговая наплавка деталей при абразивном и гидроабразивном износе. Киев: Наукова думка. 1985. 160 с.

94. Пат. 2544317 РФ. Наноструктурированный сварочный материал / Паршин С.Г. Патент. Опубл. 20.03.2015. Бюл. №8.

95. ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. М.: Издательство стандартов. 1976. 39 с.

96. Абралов М.А., Абдурахманов Р.У. Аргонодуговая сварка алюминиевых сплавов. Ташкент: Фан. 1989. 232 с.

97. Бадьянов Б.Н. Вопросы металлургии и сварки под флюсом высокопрочных сталей: дисс. к.т.н. ЦНИИТМАШ. М. 1965.

98. Бадьянов Б.Н. Механические свойства сварных соединений при сварке в галоидсодержащей защитной среде // Сварочное производство. 1980. №6. С. 1820.

99. ГОСТ 6996-66. Методы определения механических свойств. М.: Издательство стандартов. 1966. 56 с.

100. Ефименко Н.Г., Редкоземельные металлы в ысварочных материалах: Монография. Харьков: Коллегиум. 2017. 188 с.

Приложение

Результаты анализа: распределения размера зерна микроструктуры в корневой зоне шва при MAG-сварке стали К60 полированной проволокой

ESAB OK Aristo Rod 12.50

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 351

2. Количество зерен на 1 мм , т 40341

3. Средняя площадь зерна, a мм2 0,000025 (25 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 26,9

5. 95% доверительный интервал, 95%0 2,88

6. Относительная точность, %RA 11,6

7. Номер зерна, G 12,35

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.1.1. Гистограмма анализа распределения размера зерна микроструктуры в корневой зоне шва при MAG-сварке стали К60 полированной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 434

2. Количество зерен на 1 мм , т 50207

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000020 (20 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 27,4

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 2,63

6. Относительная точность, %RA 13,2

7. Номер зерна, G 12,66

Гистограмма распределения по баллам:

, м 4J (1 к" 4,? ^ ^ к!"

8 8.5 Э 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12,5 13 13,5 14

Рис. П. 2.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры горячего прохода шва при MAG-сварке стали К60 полированной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 473

2. Количество зерен на 1 мм2, т 65083

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000015 (15 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 15,1

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 1,39

6. Относительная точность, %RA 9,05

7. Номер зерна, G 13,04

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.3.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры центральной части шва при MAG-сварке стали К60 полированной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 582

2. Количество зерен на 1 мм2, т 73479

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000014 (14 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 13,9

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 1,15

6. Относительная точность, %RA 8,45

7. Номер зерна, G 13,21

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.4.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры верхней части шва при MAG-сварке стали К60 полированной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 538

2. Количество зерен на 1 мм2, т 73473

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000014 (14 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 10,1

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 0,87

6. Относительная точность, %RA 6,38

7. Номер зерна, G 13,21

Гистограмма распределения по баллам:

10.5 11 11.S 12 12.5 13 13.5 14

Рис. П. 5.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры верхней части шва при MAG-сварке стали К60 полированной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 312

2. Количество зерен на 1 мм2, т 30637

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000033 (33 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 46,2

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 5,23

6. Относительная точность, %RA 16

7. Номер зерна, G 11,95

Гистограмма распределения по баллам:

ri- Ъ & Г.. & Ф . & <р

„ « b? ь- Ъ' О Ч' О Ъ? iv ъ-

8 8,5 9 9.5 10 10.5 11 11,5 12 12.5 13 13,5 14

Рис. П.6.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры основного металла при MAG-сварке стали К60 полированной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50

Анализ микроструктуры шва с композиционной проволокой с М-ЬаБ3 представлен на Рис. 5.31 - Рис. 5.39 и в Таблице 44 - Таблица 48.

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 532

2. Количество зерен на 1 мм , т 83576

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000012 (12 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 10,3

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 0,89

6. Относительная точность, %КЛ 7,47

7. Номер зерна, G 13,40

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.7.1. Гистограмма распределения по баллам: анализ распределения размера зерна микроструктуры корневой части шва при MAG-сварке стали К60 композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 с покрытием Ni-LaF3

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 461

2. Количество зерен на 1 мм2, т 51382

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000019 (19 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 35,7

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 3,32

6. Относительная точность, %КЛ 17,1

7. Номер зерна, G 12,69

Гистограмма распределения по баллам:

8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14

Рис. П.8.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры горячего прохода шва при MAG-сварке стали К60 композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 с покрытием Ni-LaF3

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 420

2. Количество зерен на 1 мм2, т 57029

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000018 (18 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 18,9

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 1,84

6. Относительная точность, %RA 10,5

7. Номер зерна, G 12,85

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.9.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры центральной части шва при MAG-сварке стали К60 композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 с покрытием Ni-LaF3

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 562

2. Количество зерен на 1 мм2, т 74166

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000013 (13 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 12,5

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 1,05

6. Относительная точность, %RA 7,82

7. Номер зерна, G 13,22

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.10.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры верхней части шва при MAG-сварке стали К60 композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 с покрытием Ni-LaF3

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 330

2. Количество зерен на 1 мм , т 34719

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000029 (29 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 38,5

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 4,23

6. Относительная точность, %RA 14,7

7. Номер зерна, G 12,13

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.11.1 Анализ распределения размера зерна микроструктуры ЗТВ при MAG-сварке стали К60 композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 с покрытием Ni-LaF3

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 708

2. Количество зерен на 1 мм , т 89919

3. Средняя площадь зерна, a мм2 0,000011 (11 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 6,96

5. 95% доверительный интервал, 95%0 0,52

6. Относительная точность, %RA 4,7

7. Номер зерна, G 13,50

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.12.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры корневой части шва при MAG-сварке стали К60 с композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 диаметром 1,2 с покрытием Ni-LaB6

ESAB OK Aristo Rod 12.50 диаметром 1,2 с покрытием Ni-LaB6

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 231

2. Количество зерен на 1 мм , т 23947

3. Средняя площадь зерна, а мм2 0,000042 (42 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 82,7

5. 95% доверительный интервал, 95%С1 10,9

6. Относительная точность, %RA 26,1

7. Номер зерна, G 11,59

Гистограмма распределения по баллам:

7 7.5 8 8.5 9 9,5 10 10.5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14

Рис. П.13.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры горячего прохода шва при MAG-сварке стали К60 с композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 диаметром 1,2 с покрытием Ni-LaB6

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 346

2. Количество зерен на 1 мм , т 36110

3. Средняя площадь зерна, a мм2 0,000028 (28 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 44,5

5. 95% доверительный интервал, 95%0 4,78

6. Относительная точность, %RA 17,3

7. Номер зерна, G 12,19

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.14.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры центральной части шва при MAG-сварке стали К60 с композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 диаметром 1,2 с покрытием Ni-LaB6

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 441

2. Количество зерен на 1 мм , т 48148

3. Средняя площадь зерна, a мм2 0,000021 (21 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 23

5. 95% доверительный интервал, 95%0 2,19

6. Относительная точность, %RA 10,6

7. Номер зерна, G 12,60

Гистограмма распределения по баллам:

Рис. П.15.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры верхней части шва при MAG-сварке стали К60 с композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 диаметром 1,2 с покрытием Ni-LaB6

№ Величина Значение

1. Общее количество измеренных зерен, п 540

2. Количество зерен на 1 мм , т 60767

3. Средняя площадь зерна, a мм2 0,000016 (16 мкм2)

4. Стандартное отклонение, s 13,3

5. 95% доверительный интервал, 95%0 1,15

6. Относительная точность, %RA 6,96

7. Номер зерна, G 12,94

Гистограмма распределения по баллам:

10 10.5 11 11,5 12 12,5 13 13.5 14

Рис. П.16.1. Анализ распределения размера зерна микроструктуры ЗТВ при MAG-сварке стали К60 с композиционной проволокой ESAB OK Aristo Rod 12.50 диаметром 1,2 с покрытием Ni-LaB6

ПК "ЦЕНТР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛУГ

"ПРОМЕТЕЙ"

УТВЕРЖДАЮ:

ль директора «Прометей»

едведев Н.А.

АКТ

о внедрении в производство технологии дуговой сварки ответственных конструкций из высокопрочной стали с применением композиционных сварочных проволок

ПК «ЦНТУ «Прометей» подтверждает проведение технологических испытаний технологии дуговой сварки судостроительной техники из высокопрочной стали К65 с применением композиционных сварочных проволок марки Св-08Г2СК с композиционным покрытием с никелевой матрицей с наночастицами фторидов и боридов редкоземельных металлов, которая является результатом исследований по теме кандидатской диссертации ассистента Санкт-Петербургского Политехнического университета Петра Великого Майстро Алексея Сергеевича.

Методика испытаний: проведение испытаний при апробировании технологии дуговой сварки высокопрочной стали К65 с применением композиционных сварочных проволок марки Св-08Г2СК толщиной 10 мм производилось при следующих условиях: диаметр проволоки 1,2 мм, сварочный ток 150-180 А, скорость подачи проволоки 7 м/мин, расход защитного газа 14 л/мин, защитный газ 20% С02+80% аргона, сварочный выпрямитель ESAB, вид свариваемого материала образцы длиной 500 мм, толщиной 10 мм из стали класса прочности К65, количество сварных образцов 6 шт с композиционной проволокой и 6 образцов с обыкновенной проволокой марки Св-08Г2С, пространственное положение вертикальное.

Объем испытаний: измерение глубины проплавления и ширины сварного шва, визуально-измерительный контроль, ультразвуковой контроль, механические испытания образцов согласно ГОСТ 6996, металлографический контроль.

Результаты контроля: по результатам контроля и визуального контроля в соответствии с РД 03-606-03 сварные признаны годными, недопустимые дефекты отсутствуют. Глубина проплавления при сварке с композиционной проволокой

увеличилась в среднем на 15-20 %, средняя величина ударной вязкости по шву увеличилась на 23 %, а по границе шва на 10 % при испытаниях образцов с острым надрезом по Шарли, отмечается измельчение микроструктуры шва.

Заключение:

Положительные результаты испытаний позволяют ПК «ЦНТУ «Прометей» внедрить указанные композиционные проволоки и технологию дуговой сварки в производство ответственных конструкций из высокопрочной стали К65 на основе применения высокопрочных и хладостойких сталей бейнитного класса.

Экономический эффект при внедрении данной технологии на производство может составлять до 350 тыс. рублей на единицу изделия. Экономическая эффективность обусловлена уменьшением количества брака при сварке и повышением механических свойств сварных соединений.

Главный инженер

Начальник производства

П.20. Справка

ЖДАЮ»

РСЗ МАЦ" ченко А.М. 2019 г.

СПРАВКА

о внедрении результатов диссертационной работы A.C. Майстро на тему:

« Разработка композиционных сварочных проволок с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов для дуговой сварки

высокопрочных сталей »

Результаты, полученные A.C. Майстро в рамках диссертационной работы на тему: «Разработка композиционных сварочных проволок с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов для дуговой сварки высокопрочных сталей» имеют реальное практическое значение для предприятия ООО «Региональный Северо - Западный Межотраслевой Аттестационный Центр».

К результатам исследования относится разработка сварочных композиционных проволок, которые обеспечивают технический эффект, выражающийся в улучшении механических и химических свойств сварных соединений высокопрочных сталей. Данная проволока может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.

Руководство ООО «Региональный Северо - Западный Межотраслевой Аттестационный Центр» отмечает целесообразность использования разработанных сварочных композиционных проволок, благодаря которым улучшаются механические и химические свойства сварных соединений высококачественной стали, а следовательно увеличивается эксплуатационный срок конструкций свариваемых конструкций.

Л

Директор ООО «РСЗ МАЦ»

/ Левченко А.М. /

ОТЗЫВ

научного руководителя соискателя Майстро Алексея Сергеевича

Майстро Алексей Сергеевич, 1990 года рождения, в 2014 г. окончил Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого с присвоением квалификации магистр по направлению "Машиностроение", профиль "Теоретические основы процессов сварки", а в 2018 году окончил очную аспирантуру по научной специальности 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии с присвоением квалификации преподаватель-исследователь.

В период подготовки диссертации соискатель Майстро Алексей Сергеевич являлся ассистентом кафедры теории и технологии сварки материалов Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Являясь аспирантом (2014-2018 гг.) Майстро A.C. проявил творческий подход к научно-исследовательской деятельности, успешно сочетая теоретические и экспериментальные способы исследования, а также применяя современные методы термодинамического моделирования.

По теме проводимого исследования Майстро A.C. за время подготовки диссертации было опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, получены 3 патента РФ на изобретения. Результаты работы апробированы на 10 научных конференциях и семинарах.

Результатом диссертационного исследования Майстро A.C. стал предложенный комплексный подход к решению проблемы качества сварки высокопрочных сталей на основе целенаправленного влияния на микроструктуру и свойства сварных соединений при интенсификации металлургических процессов за счет введения фторидов и боридов редкоземельных и щелочноземельных металлов в составе композиционных сварочных проволок.

Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись соискателем в ФГАОУ ВО «СПбПУ» в рамках Российско-Финского проекта «Energy-efficient systems based on renewable energy for Arctic conditions» (EFREA), 2018-2019 гг. и в 2015-2016 гг. в рамках хоздоговорных НИР № 203315501 и № 203315502 по заказу ООО «ГазпромВНИИГАЗ» и нашли применение в разработанных и внедренных СТО Газпром 2-2.3-1104-2017 и СТО Газпром 2-2.3-11552018.

Результаты исследований и композиционные сварочные проволоки с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов внедрены в промышленное производство на предприятии ООО "ТЭК-Консалтинг" (Санкт-Петербург), в АО "ОКБ Электроавтоматика" им. П.А. Ефимова (Санкт-Петербург), в ПК "ЦНТУ "Прометей" при ФГУП РНЦ "ЦНИИ

КМ "Прометей" (Санкт-Петербург). Суммарный экономический эффект от внедрения составил около 1470 тыс. рублей в год за счет улучшения качества продукции.

В целом, диссертационная работа Майстро Алексея Сергеевича «Разработка композиционных сварочных проволок с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов для дуговой сварки высокопрочных сталей» является законченной самостоятельной научно-квалификационной работой, имеет важное прикладное значение для машиностроения, полностью соответствует требованиям, предъявляемым ВАК РФ к научно-квалификационным работам на соискание ученой степени, а соискатель Майстро Алексей Сергеевич заслуживает присуждения ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.10 - «Сварка, родственные процессы и технологии».

Научный руководитель, профессор Высшей школы физики и технологии материалов Института машиностроения, материалов и транспорта ФГАОУ ВО "СПбП

Паршин Сергей Георгиевич доктор технических наук, доцент 195197, Санкт-Петербург, пр. Лабораторный, д. 20, корп. 3, лит. А, кв. 375. Моб. тел. [phone], эл. почта: [e-mail] ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», профессор.

Подпись, ученую степень, ученое звание и должц^ет^Ёзрщина С.Г. удостоверяю