Full Text

Введение В промышленном производстве востребованность стальных конструкций, включающих неразъемные соединения, которые предназначены для эксплуатации в условиях динамических воздействий, сопровождаемых значительными знакопеременными нагрузками, во многом определяется характеристиками используемых материалов и технологий таких узлов. Жесткость неразъемного узла обеспечивается, как правило, в ходе наплавления электродного металла на матричный. Стабильных условий процесса формирования металла на всем протяжении наплавки добиваются автоматической сваркой под слоем флюса [1]. Однако использование современных средств наплавки электродного материала позволяет приблизить его свойства к свойствам металла основы лишь при использовании дополнительных операций термообработки, что ведет к повышению трудоемкости и затратам материалов [2]. Традиционный процесс получения наплавки при использовании агрегатов автоматической сварки под слоем флюса предусматривает использование электрода в виде проволоки сплошного сечения для получения соединений из сталей неответственного назначения [3, 4] или порошковой проволоки для получения наплавки на элемент, выполненный из конструкционной стали [5, 6]. В обоих случаях энергия электродугового процесса расходуется на нагрев электродного материала и зоны наплавления. Теплоотвод от участка стыка соединяемых элементов определяет условия формирования структуры и свойств наплавляемого металла, а также зоны термического влияния [7]. Добиться структуры шва без пор и с удовлетворительной прочностью удается при прогреве кромок соединяемых элементов, а также значительном количестве «проходов» электрода. В настоящее время применяют технологии, в которых с целью минимизации затрат и получения удовлетворительных прочностных характеристик неразъемного соединения из стали обыкновенного качества используют электрод в виде порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем [8]. При таком процессе наплавление металла на кромку стального изделия осуществляется при помощи стержня-электрода, представляющего собой протяженную оболочку, заполненную термитным наполнителем по принципу порошковой проволоки [9]. В основе процесса лежит экзотермическая окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой железо восстанавливается из окалины с получением термитной стали [10]. Шихта для получения термитной стали представляет собой смесь порошка алюминия, окалины и наполнителей. Процесс позволяет обеспечить возврат сложноутилизируемых отходов предприятий машиностроения и металлургии, составляющих основу шихты, которой заполнен электрод. Разогрев наплавляемого металла на стальную деталь в таком процессе обеспечивается в результате тепла от электродугового и алюмотермитного воздействий [11, 12]. Предварительными теоретическими [13] исследованиями установлено влияние зоны локального нагрева участка соединения наплавленного металла и пластины из Ст3сп на картину ее деформации. При этом определена неприемлемо низкая степень достоверности расчета прочностных характеристик наплавленного металла и деформации сварной конструкции, произошедшей в результате совместного электродугового и алюмотермитного воздействия. При практическом осуществлении наплавки металла от электрода в виде порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем удалось добиться соответствия химического состава наплавляемого металла и зоны термического влияния материалу основы, выполненной из Ст3сп, соответствующей ГОСТ 380-2005. Определены параметры теплового воздействия на участок соединения наплавляемого металла с основой, при которых оно соответствует требуемым прочностным и размерно-геометрическим характеристикам. Таким образом, алюмотермитный материал, заполняющий оболочку электрода, обеспечивает регулирование температуры и поставку металла в зону наплавки. Алюмотермитный шлак, в свою очередь, обеспечивает замедление отведения тепла от зоны стыка [14-16], что позволяет сократить негативное влияние локального перегрева зоны соединения. Значительно сложнее получить сварное неразъемное соединение деталей, выполненных из конструкционных углеродистых сталей, уникальными прочностными и эксплуатационными свойствами которых приходится пренебречь [17]. К числу причин отказа от использования этих сталей в сварке относят трудоемкость, ввиду склонности материала стыка к образованию пор и трещин. Стали с высоким углеродным эквивалентом для получения сварных конструкций используют редко, а влияние локального нагрева на структуру и физико-механические свойства материала, наплавляемого на изделия из таких сталей, изучены недостаточно. Таким образом, актуальным представляется разработка и применение ресурсосберегающих технологий, направленных на получение металлоизделий и конструкций с высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками, позволяющими расширить номенклатуру применяемых металлов и сплавов, а также возврат материалов в технологических цикл. Цели и задачи Цель - определение режима совмещенного теплового алюмотермического и электродугового воздействия на материал пластины из стали с высоким углеродным эквивалентом для получения наплавки с повышенными механическими характеристиками. Для достижения цели в работе решались следующие задачи: - в результате использования энергий алюмотермитной реакции и электрической дуги наплавление электродного материала на кромки пластин, выполненных из углеродистой стали; - определение механических свойств наплавляемого экспериментальным электродом материала и их сравнение с результатами, полученными при использовании традиционного электрода в виде проволоки сплошного сечения. Методы решения задач и материалы Для эксперимента использовали пластины, выполненные из конструкционной углеродистой стали 45, отвечающей требованиям ГОСТ 1050-2013. Разделка пластин толщиной S = 12 мм, шириной 150 мм и длиной 500 мм осуществлена по типу С21 согласно ГОСТ 8713-79. Формирование наплавляемого материала осуществляли на агрегате автоматической сварки АДФ-1000-5Е под слоем флюса АН-348 порошковой проволокой [9], сердечник которой состоит из алюмотермитной шихты. В состав шихты входят компоненты фракции 0,1-0,315 мм: оксид железа, восстановитель, наполнители. Фракция компонентов алюмотермитной шихты получена рассевом на ситах модели 026, выполненных по ГОСТ 29234.3-91. В качестве оксида использована железная окалина со следующим химическим составом: C = 0,150 %; Mn = 1,188 %; Si = 2,960 %; S = 0,030 %; P = 0,030 %; Fe = 71,500 %; Al = 0,697 %; Ni = 0,188 %; Cr = 0,173 %; Cu = 0,444 %; O2 = 22,639 %. В качестве восстановителя использован алюминий марки ПА-2, соответствующий ГОСТ 6058-73. В качестве наполнителей шихты использованы: ферромарганец ФМн-78 (А), соответствующий ГОСТ 4755-91; ферросилиций ФС50, соответствующий ГОСТ 1415-93; графит ЭГ15, выполненный по ТУ 14-139-177-2003. С целью повышения однородности компонентов по фракции шихту подвергали обработке в шаровой мельнице периодического действия типа МШП-700 в течение 10 мин. После обработки алюмотермитную шихту упаковывали в проволочный электрод на агрегате НИИМОНТАЖ типа МТР1201УХЛ4. Для оболочки электрода использовали ленту марки 08кп-ОМ-2-1´100, соответствующую ГОСТ 503-81. Диаметр электрода после упаковки Ø = 2,8 мм с коэффициентом заполнения Кз = 0,37. Наплавку электродного материала на кромки пластин осуществляли за два прохода согласно режимам теплового воздействия, представленным в табл. 1. Значения силы тока Ii, напряжения Ui, скорости перемещения электрода Vi и эффективной тепловой мощности дуги qi [18] для каждого режима эксперимента постоянные. Таблица 1 Характеристики режимов формирования металла, наплавляемого от электрода на кромки соединяемых стальных пластин Режим эксперимента Ii, A Ui, B Vi, м/ч η *qi, ккал/с 1** 300 35 20 0,99 2,49 2 250 35 20 0,9 1,89 3 300 35 20 0,9 2,27 4 350 35 20 0,9 2,65 Примечание: i - порядковый номер режима; * при расчете q для случаев применения режимов 2, 3 и 4 наплавки материала электрода в виде порошковой проволоки с термитным наполнителем использовали значение η = 0,9; ** режим 1 (традиционный процесс автоматической наплавки под флюсом с проволокой сплошного сечения марки Св-08А) является свидетелем режима 3, для которого при расчете q использовано значение η = 0,99. Эффективную тепловую мощность, позволяющую учесть технологические условия расплавления металла в стыковой зоне, рассчитывали по формуле qi = 0,24UiIiηi, где 0,24 - коэффициент перевода электрических величин в тепловые, кал/Вт·с; η - эффективный коэффициент полезного действия (КПД) нагрева [1], η ≈ 0,9÷0,99. На величину η влияет удельная плотность электрода, определяемая коэффициентом его заполнения Кз, который находится в диапазоне 0,15 < Кз ≤ 0,4 [11, 19]. Значение η тем больше, чем больше металла поступает в ванну с электродом. Использование электрода в виде порошковой проволоки обеспечивает значение эффективного КПД до η = 0,9. При исследовании механических свойств наплавляемого металла определяли предел прочности на разрыв sв, предел текучести sт, относительное удлинение δ согласно ГОСТ 6996-66 (образцы изготавливали с учетом ГОСТ 1497-84), ударную вязкость КCU, твердость ЗТВ по шкале HRA, пластическую деформацию при изгибе. Напряжение, предел текучести и относительное удлинение при растяжении образцов определяли на универсальной испытательной машине AG-X plus SHIMADZU при постоянной скорости перемещения захватов 0,05 мм/c. Определение величины ударной вязкости проводили в соответствии с ГОСТ 9454-78. Форма и размеры образцов для испытания соответствовали концентратору вида U c радиусом R = 1 ± 0,07 мм, регламентированным ГОСТ 9454-78. Ударную вязкость определяли маятниковым копром типа МК с исполнением согласно ГОСТ 10708-82. Твердость образцов измеряли по 10 точкам в направлении от центра шва к периферии методом Роквелла. Поверхность образцов для определения твердости подготавливали согласно ГОСТ 9013-59. По полученным результатам выведены средние значения твердости шва и на протяжении ЗТВ. Способность материалов экспериментальных соединений выдерживать пластическую деформацию при изгибе определяли на тестовой машине AG-X plus SHIMADZU, снабженной устройством, отвечающим требованиям ГОСТ 28840-90. Испытание на трехточечный изгиб проводили согласно требованиям ГОСТ 14019-2003. Для образцов, имеющих удовлетворительные прочностные характеристики, химический состав определяли согласно ГОСТ 18895-97 при помощи приставки элементного анализа типа OXFORD Xmax. Изображение макроструктур в виде фрактограмм получено при помощи растрового электронного микроскопа S-3400N HITACHI при ´100. Основное содержание работы В результате совмещенного алюмотермитного и электродугового теплового воздействия путем использования порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем получены неразъемные соединения пластин из стали 45 с минимальными значениями деформации неразъемного соединения [20]. Оценка прочности наплавляемого материала на пластины из стали 45 проводилась сопоставлением со значениями прочности неразъемных соединений [21]. При оценке прочности соединения деталей из стали марки Ст45, выполняемого автоматической сваркой, применяется понижающий коэффициент, составляющий 0,9 от прочности основного металла. Следовательно, удовлетворительной можно признать прочность наплавляемого металла, значения которой соответствуют sв = 549÷630 МПа и sт = 319 МПа. В ходе серии постановочных экспериментов выявлено, что прочность металла, однократно наплавляемого на пластину из стали 45 (без подготовки сварочных материалов и последующей термообработки) проволокой сплошного сечения на АДФ, не превышает sв = 490 МПа. При аналогичных условиях прочность наплавки, полученной экспериментальным электродом, составляет sв = 621 МПа. Повторное тепловое воздействие производит отпуск, что положительно сказывается на улучшении физико-механических свойств при сварке [22, 23]. В этой связи для проведения корректного сравнительного анализа традиционной и экспериментальной технологий наплавку металла на стальную пластину было решено получать за два прохода. Механические свойства наплавленного металла, полученного при различных режимах теплового воздействия, представлены на рис. 1-4. Рис. 1. Зависимость пределов прочности и текучести при растяжении образцов металла, наплавленного на пластины из стали 45, от режимов формирования Рис. 2. Влияние режима формирования наплавляемого металла на величину относительного удлинения образцов при испытании на разрыв В ходе анализа экспериментальных результатов, представленных на рис. 1, установлено, что временное сопротивление на разрыв металла, наплавленного при режимах 2 и 4, не отвечает требованиям, регламентированным ГОСТ 1050-2013, к стали 45 с понижающим коэффициентом 0,9 для сварных соединений. Однако значение предела текучести для образцов, полученных на этих режимах, в целом удовлетворяет требованиям ГОСТ 1050-2013. Так, при использовании режима 2, характеризующегося тепловой мощностью q2 = 1,89 ккал/с, значение предела текучести наплавляемого металла sт2 = 365 МПа, что на 12 % выше значений, регламентированных ГОСТом для стали 45. Значение относительного удлинения для такого металла (см. рис. 2) δ2 = 7,65 % при значении ударной вязкости (см. рис. 4) KCU2 = 109,2 кДж/см2. По причине недостатка тепловой мощности требуемый прогрев расплавленного металла не достигается, что определяет динамику скорости кристаллизации наплавляемого металла и приводит к снижению значения предела прочности на 9 %, в сравнении с прочностью образца, полученного при режиме 1. Твердость наплавленного при режиме 2 металла HRA2 = 45. Рис. 3. Влияние режима формирования наплавляемого металла на среднее значение твердости HRA в центре шва Рис. 4. Влияние режима формирования наплавляемого металла на ударную вязкость KCU Повышение силы тока до I = 350 A (режим 4) приводит к увеличению тепловой мощности до значения q4 = 2,65 ккал/с. При этом наблюдается резкое снижение ряда механических характеристик. Так, для образцов, полученных при тепловом воздействии, которое соответствует режиму 4, характерны следующие значения: sв4 = 433 МПа; sт4 = 320 МПа; δ4 = 2,5 %; HRA4 = 49; KCU4 = 57,2 кДж/см2. Преимущественно негативное влияние оказывает, по всей видимости, значительный локальный перегрев зоны соединения и насыщение углеродом наплавляемого металла, приводящее к увеличению его хрупкости. Таким образом, получение достаточной эксплуатационной прочности металла, наплавляемого на кромку пластины из стали 45 при режимах теплового воздействия 2 и 4, не представляется возможным. Применение режима 3 с показателем тепловой мощности q3 = 2,27 ккал/с позволило получить образцы наплавляемого металла с лучшими физико-механическими свойствами в серии экспериментов. При таком режиме металл, наплавляемый электродом с алюмотермитным наполнителем за два прохода, соответствует требованиям, предъявляемым ГОСТ 1050-2013, с учетом понижающего коэффициента 0,9 для неразъемного соединения пластин из стали 45. Применение режима 3, при использованных в эксперименте диаметре электрода и толщине пластины, позволяет добиться значений прочностных характеристик наплавляемого металла, превышающих значения предела текучести основного металла на 14 % и составляющих значения sт4 = 417 МПа. При этом значение sв5 = 598 МПа сопоставимо с нижним значением предела прочности на разрыв материала пластины из стали 45 (sСт45 = 610÷750 МПа). Относительное удлинение наплавленного при таком режиме металла δ4 = 7,8 %, а ударная вязкость KCU5 = 116,2 кДж/см2. Установлено, что твердость образцов HRA неразъемных соединений из стали 45 по мере удаления от центра наплавленного металла к периферии увеличивается с 47,5 до 56 ед. на протяжении длины зоны термического влияния, составляющей 19 мм. Склонность к самозакаливанию и образованию горячих трещин материала, наплавляемого на сталь с высоким углеродным эквивалентом, определяет необходимость проведения механических испытаний на трехточечный изгиб. Внешний вид образца и дефекты представлены на рис. 5. В ходе такого испытания определялась способность неразъемного соединения принимать заданный по размеру и форме изгиб, характеризующийся углом, при котором в растянутой зоне образца появляется трещина, развивающаяся в процессе испытания. Важным является регистрация места появления трещины или разрушения (по наплавляемому металлу, металлу околошовной зоны или основному металлу). Установлено, что образцы, полученные на режимах 1, 2 и 3, соответствуют предъявляемым требованиям - угол изгиба 140° достигается без разрастания и образования трещин. В ходе испытания на трехточечный изгиб образцов, полученных на режиме 4, при достижении угла изгиба 124° происходит образование трещин в зоне металла наплавки и в зоне сплавления с основным металлом. Определение роли геометрии структур в разрушении материала [24, 25] возможно осуществить в ходе визуальной оценки характера разрушения образцов наплавляемого металла при помощи фрактограмм с поверхностей мест разрывов, представленных на рис. 6. а б Рис. 5. Испытание на трехточечный изгиб: а - внешний вид образца; б - трещины в зоне наплавляемого металла дефектного образца а б в г Рис. 6. Фрактограммы участков разрыва образцов металла наплавки (×100 - слева, ×1000 - справа), полученных по различным режимам: а, б - режим 1; в, г - режим 3 Таблица 2 Сравнение химического состава матричного металла с химическим составом металла, наплавляемого на пластины из стали 45 при различных режимах теплового воздействия Сталь 45 Содержание, мас. % C Si Mn Ni S P Cr 0,42-0,5 0,17-0,37 0,5-0,8 до 0,25 до 0,04 до 0,035 до 0,25 Режим 1 0,29 0,3 0,63 0,24 0,039 0,033 0,25 2 0,21 0,20 0,53 0,20 0,032 0,029 0,18 3 0,32 0,20 0,7 0,26 0,031 0,030 0,25 4 0,4 0,4 0,59 0,1 0,033 0,030 0,14 Анализ фрактограмм показывает, что структура разрушения металла, полученного наплавлением с проволокой сплошного сечения (см. рис. 6, а, б), на 20 % представлена волокнистым изломом, а на 80 % - кристаллическим. Излом металла, наплавленного на кромку пластины из стали 45 с использованием режима 3 (см. рис. 6, в, г), характеризуется смешанной структурой разрушения, 60 % площади которой представлено волокнистым изломом, а 40 % - кристаллическим. Таким образом, наплавка металла электродом в виде порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем по режиму 3 обеспечивает вязкий излом [26]. Для разрушения такого образца необходимо затратить более значительную энергию, скорость распространения трещины в таком материале невысока, что благоприятно сказывается на характеристиках материала наплавки. Компоненты алюмотермитного наполнителя в совокупности с режимом комбинированного теплового воздействия определяют химический состав и структуру зоны термического влияния получаемого неразъемного соединения из наплавляемого металла и стали 45. Химический состав металла в зоне наплавления, полученного по режимам 1-4, представлен в табл. 2. Как видно из данных, представленных в табл. 2, химический состав образцов наплавленного металла не в полной мере соответствует значениям диапазонов содержания основных элементов, характерных для стали 45 по ГОСТ 1050-2013. Содержание углерода ниже диапазона значений матричного металла, что характерно для технологических процессов получения неразъемных соединений из сталей с высоким углеродным эквивалентом. Однако следует заметить, что содержание углерода в экспериментальном образце, полученном при режиме наплавки 3, выше, чем в образце, полученном наплавкой электродом в виде проволоки сплошного сечения (по режиму 1). Поскольку содержание остальных элементов в металле наплавки в целом удовлетворяет диапазону значений, характерному для стали 45, а прочностные свойства такого металла выше, чем у образца-свидетеля, полученного по режиму 1, использование электрода в виде порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем при режиме теплового воздействия 3 для получения неразъемных соединений сталей с высоким углеродным эквивалентом можно считать целесообразным. Заключение Серией экспериментов установлено, что прочностные характеристики материала, наплавляемого электродом в виде порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем, сопоставимы с характеристиками материала соединяемых пластин из стали 45 при значении тепловой мощности дуги q = 2,27 ккал/с и скорости перемещения электрода V = 20 м/ч. Такой режим совмещенного алюмотермитного и электродугового воздействия позволил за два прохода получить значения предела прочности на разрыв наплавленного металла sв = 598 МПа и предела текучести sт = 417 МПа. Относительное удлинение наплавляемого металла δ = 7,8 %, ударная вязкость KCU = 116,2 кДж/см2. Твердость наплавленного металла HRA = 47,5. Экспериментально определено, что характер разрушения образцов, полученных при режиме комбинированного теплового воздействия 3, - вязкий, содержание углерода ниже, чем в матричном металле, химический состав по таким элементам, как Si, Mn, Ni, S, P и Cr, соответствует Ст45. Таким образом, использование экспериментального электрода позволяет получать неразъемные соединения с элементами, выполненными из углеродистых сталей без их предварительного подогрева и последующей термообработки готового изделия.

About the authors

E. E Abashkin

Khabarovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of RAS

S. G Zhilin

Khabarovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of RAS

O. N Komarov

Khabarovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of RAS

References

Statistics

Views

Abstract - 24

PDF (Russian) - 16

Refbacks

• There are currently no refbacks.