Full Text

Неметаллические включения присутствуют в сварном соединении в целом, как в основном металле, так и в сварном шве. На сегодняшний день известно, что неметаллические включения могут служить концентраторами напряжений, что в сочетании с понижением пластических свойств сварного шва приводит к разрушению сварных конструкций [1, 2]. Для оценки влияния неметаллических включений на свойства металла необходимо учитывать как их химический состав и количество, так и форму, размер и расположение. Однако неизвестно, какая из этих характеристик наиболее опасна с точки зрения воздействия на свойства сварного шва. Большинство включений, образующихся в сварном шве, эндогенного происхождения. При этом их образованию в сварочной ванне будут способствовать обогащение жидкого металла примесями вследствие ликвационных процессов и понижение совместной растворимости примесей при охлаждении металла сварочной ванны [3]. Экзогенные включения могут образовываться в результате перехода в сварочную ванну части расплавленного покрытия или неполного удаления шлаковой корки с поверхности предыдущего валика (при многопроходной сварке). Формы и размеры включений в металле шва в основном зависят от их температуры плавления, которая, в свою очередь, определяется химическим составом включений. Состав неметаллических включений во многом зависит от способа сварки и применяемых сварочных материалов [4]. Процесс образования включений в результате взаимодействия компонентов, растворенных в металле, а также выделение включений в результате уменьшения их растворимости в железе при понижении температуры связаны с процессом образования новой фазы внутри исходной. Процесс образования новой фазы определяется термодинамикой (принципиальная возможность протекания процесса) и кинетикой (интенсивность, скорость протекания) процесса [5]. Образование новой фазы внутри раствора начинается с появления устойчивых зародышей. Необходимым условием их образования является наличие пересыщения, которое наступает или в результате уменьшения растворимости включений при охлаждении расплава, или вследствие образования различных соединений за счет протекания химических реакций. Основную долю включений в сварном шве составляют оксиды и сульфиды. Анализ уравнений термодинамики, приведенный в работах [6-8], показал, что интенсивность зарождения неметаллических включений в сварочной ванне и размер образующихся зародышей зависят от степени пересыщения расплава выделяющимся веществом С/СS и от величины межфазного натяжения на границе расплав - включение σм-в, что также подтверждено автором работы [5]. Образование оксидных включений происходит при значительном пересыщении (для образования SiO2 пересыщение расплава должно быть 80-800, для Al3O3 - 3·106…3,6·1014). Необходимую величину пересыщения можно снизить путем снижения величины межфазного натяжения на границе металл - включение. Известно, что чем больше содержание FeO и MnO в выделяющихся включениях, тем меньше величина межфазного натяжения на границе металл - включение и тем больше интенсивность зарождения оксидных включений. Образование сульфидных включений [9] во многом зависит от наличия в металле сульфидообразующих элементов, так как сера в отличие от кислорода имеет неограниченную растворимость в жидком железе. Сульфидные включения образуются в сварочной ванне во время кристаллизации и после нее, уже в твердом металле. На процесс формирования сульфидных включений оказывают большое влияние условия перехода металла из жидкого состояния в твердое. При увеличении скорости охлаждения содержание сульфидов существенно снижается, а вместе с ним уменьшается и радиус включений. Наибольшая концентрация серы будет наблюдаться у границы расплав - кристалл. Ее распределение зависит от скорости затвердевания металла, коэффициента диффузии серы в расплаве и коэффициента распределения серы между жидким и твердым металлами. Рассмотренные аспекты формирования оксидов и сульфидов справедливы для образования устойчивых зародышей в гомогенной среде. Однако в реальных условиях сварочная ванна будет являться гетерогенной средой. В этом случае процесс образования неметаллических включений во многом будет определяться степенью смачивания новой фазы подложки, на которой выделяется эта фаза. Чем лучше смачивает подложку материал новой фазы, тем легче происходит выделение новой фазы на подложке. Такая особенность дуговых способов сварки, как протекание через сварочную ванну тока значительной величины, может повлиять на образование неметаллических включений. Ток, протекающий через границу металл - оксидный расплав, может существенно изменить величину межфазного натяжения. Из теории электрокапиллярных явлений следует, что при прохождении тока через границу металл - электролит электрический потенциал металла практически не изменится в том случае, если электролит будет содержать большое количество ионов данного металла, т.е. при образовании зародышей сульфидов и оксидов, имеющих большую концентрацию Fe, наложение внешнего электрического поля не должно заметно изменить условия их возникновения. При наличии в оксидной фазе значительного количества MnО прохождение тока через границу металл - включение также будет влиять на величину межфазного натяжения незначительно. Таким образом, прохождение тока через сварочную ванну в момент зарождения неметаллических включений не будет оказывать существенного влияния на процесс их образования. Процесс образования неметаллических включений в сварных швах при дуговых способах сварки с помощью математического анализа представляет большой интерес. Исследования проводились на сталях 17Г1С и Ст3пс. Химический состав и механические характеристики сталей представлены соответственно в табл. 1 и 2. Таблица 1 Химический состав сталей Марка стали Массовая доля элементов, % C Si Mn Ni S P Cr Cu As Ст3пс 0,14-0,22 0,05-0,15 0,4-0,65 до 0,3 до 0,05 до 0,04 до 0,3 до 0,3 до 0,08 17Г1С 0,15-0,2 0,4-0,6 1,15-1,6 до 0,3 до 0,04 до 0,035 до 0,3 до 0,3 до 0,08 Таблица 2 Механические характеристики сталей Марка стали σ0,2, Н/мм2 σВ, Н/мм2 δ, % KCU-40, Дж/см2 Ст3пс 245 370-480 26 39 17Г1С 345 510 23 39 Образцы сваривались многослойной ручной дуговой сваркой электродами с покрытиями разного типа. Сварочные материалы и размеры образцов указаны в табл. 3. Таблица 3 Материалы, используемые в образцах Номер образца Марка стали Марка электрода Тип покрытия Толщина образцов, мм 1 (46) Ст3 ОК 46 рутиловый 10 2 (53) ОК 53 основный 10 3 (Ст2) 17Г1С ЛБ 52У* основный 12,4 УОНИ 13/55 основный МТГ-02 основный * Марки электродов, которыми были заварены корневые проходы образцов. В табл. 4 приведен химический состав наплавленного металла в зависимости от марки используемого электрода[3]. Таблица 4 Химический состав наплавленного металла Марка электрода Массовая доля элементов, % С Si Mn S P ОК 46 0,08 0,3 0,4 до 0,04 до 0,045 ОК 53 0,06 0,4 1,1 до 0,015 до 0,015 ЛБ 52У 0,05-0,10 до 0,75 до 1,6 до 0,02 до 0,02 УОНИ 13/55 0,08 0,2-0,5 0,6-1,2 до 0,03 до 0,035 Таблица 5 Режимы сварки электродами разного типа Диаметр электрода, мм Сила сварочного тока, А Нижнее Потолочное Вертикальное 3,2 Электроды с основным покрытием 90-130 80-120 90-110 3,0 Электроды с рутиловым покрытием 80-160 80-140 80-180 Режимы сварки представлены в табл. 5. При проведении количественного анализа был отмечен разброс размеров неметаллических включений в образцах, сваренных электродами с одинаковым типом покрытия [10]. Все процессы, связанные с образованием и ростом включений, описанные выше, напрямую зависят от объема сварочной ванны и времени пребывания металла ванны в жидком состоянии [11]. Объем сварочной ванны определяется основными параметрами режима сварки: силой тока, напряжения и скоростью сварки [12]. Однако один и тот же объем сварочной ванны можно получить при разных сочетаниях этих параметров. Как следствие, для оценки полноты протекания процессов образования неметаллических включений и их удаления из сварочной ванны необходимо определить время пребывания металла сварного шва в жидком состоянии для каждого прохода. Для расчета времени пребывания металла сварочной ванны в жидком состоянии можно использовать математическую модель, описывающую термический цикл при нагреве пластины ограниченной толщины нормально-круговым источником тепла. Считая, что металл сварочной ванны будет находиться в жидком состоянии при температуре более 1500 °С и построив термический цикл, можно определить время пребывания металла сварного шва при температурах свыше 1500 °С, проведя изотерму. Модель термического цикла при нагреве пластины ограниченной толщины нормально-круговым источником тепла получена на основе теории теплопроводности. Распределение тепла в любой точке тела в каждый момент времени удовлетворяет дифференциальному уравнению теплопроводности, решение которого найдено с помощью функции Грина. Физическая сущность метода функций Грина заключается в том, что любой процесс распределения тепла в теплопроводящем теле можно представить как совокупность процессов выравнивания температуры от элементарного источника тепла, распределенного как в пространстве, так и во времени. В общем виде решение находится следующим образом: где - температурное поле или распределение температуры в точке с координатами x, y, z в момент времени t; - функция Грина (также функция источника, или функция влияния), применительно к теории теплопроводности может определяться как температура в точке с координатами x, y, z в момент времени t, обусловленная действием мгновенного точечного источника единичной мощности, помещенного в точку с координатами в течение времени τ [8]; - стандартизированная функция, зависящая от формы источника тепла, начальных и граничных условий. При нулевых начальных и граничных условиях стандартизированная функция находится как функция источника нагрева: Решение задачи теплопроводности по этому методу сводится к правильному выбору источников нагрева и их распределению. В рассматриваемом случае источник тепла выбирается нормально-круговой непрерывно-действующий, как наиболее точно описывающий реальное воздействие сварочной дуги как источника нагрева. При построении модели, описывающей распределение тепла в теле под действием нормально-кругового источника, рекомендуется подбирать фиктивный сосредоточенный источник тепла. Фиктивный сосредоточенный источник тепла - это такой источник, тепло которого q, распространяясь по пластине в течение времени t0, приводит к такому же распределению температуры, которое вызвано данным нормально-круговым источником. Таким образом, распределение температуры, вызванное действием нормально-кругового источника, можно рассматривать как распределение температуры от фиктивного сосредоточенного источника, введенного в определенной точке, на время t0. Подбирая длительность распределения фиктивного источника t0 и количество теплоты q, можно обеспечить совпадение распределения, вызванного фиктивным источником, с распределением, вызванным нормально-круговым источником: где k - коэффициент сосредоточенности нормально-кругового источника; а - коэффициент температуропроводности металла пластины. Трехмерное уравнение теплопроводности в подвижной системе координат имеет вид [8] Геометрические условия: Физические условия: Краевые условия: начальные условия - граничные условия 2-го рода - Решение уравнения теплопроводности методом функции Грина имеет следующий вид: Поскольку краевые условия являются нулевыми, стандартизированная функция равна функции источника тепла: Функция Грина определяется следующим образом: Используя свойства δ-функции и единичной функции, а также учитывая подвижность источника и постоянную времени t0, окончательно получим С использованием приведенной математической модели в программе MathCAD были произведены расчеты времени пребывания металла сварочной ванны для каждого случая. Расчет времени представлен на рис. 1. Рис. 1. Расчет времени пребывания металла шва при Т = 1500 °С Данные количественного анализа были сопоставлены с результатами расчета времени пребывания металла шва в жидком состоянии для всех анализируемых случаев. Результаты сопоставления приведены в таблице. Результаты расчета Тип покрытия Время пребывания при Т = 1500 °С Общий об. % Мелкие включения, об. % Средние включения, об. % Крупные включения, об. % Рутиловый 1,3 0,4063 0,132117 0,267918 0,006261 Рутиловый 4,7 0,4496 0,147995 0,296237 0,005373 Рутиловый 8,2 0,508 0,18543 0,31815 0,004415 Основный 2 0,0213 0,0142 0,0071 0 Основный 5,1 0,0302 0,0178 0,0124 0 Основный 8,7 0,0365 0,0252 0,0113 0 Основный 5,57 0,0537 0,038057 0,015643 0 Основный 5,4 0,0527 0,022652 0,030049 0 Основный 4,4 0,0417 0,019563 0,022137 0 Основный 16,7 0,1634 0,07687 0,08394 0,00259 Основный 12,65 0,1148 0,066845 0,04756 0,000394 Основный 4,6 0,049 0,039596 0,009403 0 Основный 6,7 0,0712 0,048633 0,022566 0 Анализ сопоставления показал следующие закономерности. Увеличение времени пребывания металла шва в жидком состоянии приводит к увеличению объемной доли неметаллических включений в сварном шве (рис. 2, 4). При этом при сварке электродами с рутиловым покрытием увеличивается объемная доля как мелких, так и средних включений (рис. 3). При сварке электродами с основным покрытием с увеличением времени пребывания метала в жидком состоянии происходит увеличение объемной доли и крупных, и средних, и мелких включений (рис. 5). Рис. 2. Изменение общей объемной доли НВ в зависимости от времени пребывания металла шва в жидком состоянии при сварке электродами с рутиловым типом покрытия Рис. 3. Изменение объемной доли по группам включений в зависимости от времени пребывания металла шва в жидком состоянии при сварке электродами с рутиловым типом покрытия: 1 - мелкие; 2 - средние; 3 - крупные Рис. 4. Изменение общей объемной доли НВ в зависимости от времени пребывания металла шва в жидком состоянии при сварке электродами с основным типом покрытия Рис. 5. Изменение объемной доли по группам включений в зависимости от времени пребывания металла шва в жидком состоянии при сварке электродами с основным типом покрытия: 1 - мелкие; 2 - средние; 3 - крупные Таким образом, математический анализ неметаллических включений в сварных швах позволил количественно оценить объемную долю включений, которая по совокупности мелких, средних и крупных включений близка к объемной доле включений, полученных количественным анализом.

About the authors

T. V Olshanskaya

Perm National Research Politechnical University

E. M Fedoseeva

Perm National Research Politechnical University

References

Statistics

Views

Abstract - 17

PDF (Russian) - 10

Refbacks

• There are currently no refbacks.