ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

Литвинова Т.Р.¹, Елсуков С.К.², Антипов И.С.³, Королев М.П.⁴, Прияткин Д.В.⁵, Бессонов О.В.⁶, Егоров И.В.⁷

¹Аспирант, инженер, ²младший научный сотрудник, аспирант,³студент,⁴студент, ⁵студент,⁶студент, ⁷студент, ФГБОУ ВО Волгоградский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

Аннотация

Проведен сравнительный анализ химического состава металла, механических свойств сварных соединений, выполненных различными электродами марки УОНИ 13/55 отечественного и зарубежного производства с целью выявления электродов, обеспечивающих гарантированные механические свойства сварных соединений при рабочих температурах до -70◦С. К тому же, проведены металлографические исследования зоны термического влияния.

Ключевые слова: покрытый электрод, низколегированные высокопрочные стали, хладостойкость, зона термического влияния.

Litvinova T.R.¹, Elsukov S.K.², Antipov I.S.³, Korolev M.P.⁴, Prijatkin D.V.⁵,  Bessonov O.V.⁶, Egorov I.V.⁷

¹Postgraduate student, engineer, ²Junior research scientist, postgraduate student, ³Student, ⁴Student, ⁵Student, ⁶Student, ⁷Student, Volgograd State Technical university

INVESTIGATION OF WELDING AND TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF COATED ELECTRODES OF LOW-ALLOY HIGH-STRENGTH STEELS

Abstract

The paper contains comparative analysis of the chemical composition of the metal and the mechanical properties of welded joints made with various electrodes of the SSSI 13/55 brand of domestic and foreign production. Its aim is to identify electrodes providing guaranteed mechanical properties of welded joints at operating temperatures down to -70 ° C. In addition, metallographic studies of the zone of thermal influence were carried out.

Keywords: coated electrode, low-alloy high-strength steel, cold resistance, heat-affected zone.

Введение

Для производства сварных металлических конструкций, предназначенных для эксплуатации в северных районах РФ и на Арктическом шельфе актуально использовать высококачественные сварочные покрытые электроды отечественного производства, не уступающие по свойствам дорогостоящим электродам, поставляемых по импорту.

Номенклатура, качество электродов различных производителей в РФ, а также механические свойства сварных соединений, полученных с их использованием, существенно различаются, хотя в рекламных изданиях их характеристики почти всегда соответствуют действующим стандартам.

Цель настоящего исследования – выявить оптимальные марки электродов, которые обеспечивали бы гарантированные свойства сварных соединений при рабочих температурах до -70◦С.

Материалы и методы исследований.

Марка сварочные электроды УОНИ 13/55 предназначена для сварки особо ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей, когда к металлу швов предъявляют повышенные требования по пластичности и ударной вязкости. Допускается сварка электродами УОНИ 13/55 во всех пространственных положениях шва постоянным током обратной полярности. Наплавленный металл характеризуется высокой стойкостью к образованию кристаллизационных трещин и низким содержанием водорода. Электроды склонны к образованию пор при сварке по окисленным поверхностям и удлинении дуги.

Исследовали пять марок электродов различных производителей, в качестве контрольного образца использовали электроды фирмы ESAB (Швеция), выпускаемые в РФ под российским брендом – УОНИ 13/55.

Для изготовления сварных образцов использовали сталь марки 12Х2НВФА, толщина стандартных образцов для механических испытания составляла 6 мм. Перед сваркой электроды прокаливали при температуре 350-400◦С в течение 1,5 часов. В качестве источника сварочного тока использовали инверторный сварочный аппарат KEMPPI MASTER MLS-3500. Постоянный сварочный ток – 100 А, полярность – обратная. Положение сварки – нижнее. Оценку сварочных свойств электродов проводили по пятибалльной системе.

Химический состав металла сварных швов, полученных с использованием различных экспериментальных электродов и электрода фирмы ESAB под условными номерами представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав металла сварных швов

 

Испытания проводили согласно действующим в РФ стандартам. Твердость металла сварного соединения контролировали методом Роквелла с использованием прибор для измерения твердости ТР 5014 по ГОСТ 9013-59. Ударную вязкость сварных образцов при отрицательных температурах определяли по ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре ИО 5003-0,3-1 в криокамере модели ККМ-1М. Предел текучести и предел прочности сварных соединений измеряли на универсальной испытательной машине Zwick Z250. Структуру, морфологию и элементный состав наплавленного металла изучали с использованием инвертированного микроскопа Axiovert 40 MAT, оснащенного устройством для определения химического состава металла -оптико-эмиссионного спектрометра ARL 3460.

Результаты и их обсуждение.

Сварочно-технологические свойства исследованных электродов, представленны в таблице 2.

 

Таблица 2 – Сварочно-технологические свойства электродов

Из таблицы 1 видно, что выбранный для сравнительной оценки массово используемый в РФ электрод фирмы ESAB обеспечивает металл сварного шва с повышенным содержанием марганца и содержит минимальное количество серы. Это дает возможность в сочетании с отличными сварочными свойствами (табл. 2) получить повышенные прочностные характеристики металла сварного шва (рис. 1-3).

Рис. 1 – Диаграмма значений ударной вязкости при температуре сварных швов, выполненных электродами: 1 – 5 (табл. 1 и 2)

По результатам испытаний сварных швов на ударную вязкость при температуре -70ºС (рис. 1), лучший результат показали электрод фирмы ESAB (позиция 2) и электрод (позиция 1), так как в наплавленном ими металле содержится минимальное количество вольфрама (0,145% и 0,159% соответственно). Повышенное содержание вольфрама в металле, наплавленном электродом (позиция 4), оказало негативный эффект на значение его ударной вязкости (рис. 1), но в то же время это способствовало увеличению прочностных характеристик (рис. 3).

Хотя введение вольфрама в стали и способствует их дисперсионному твердению в результате термической обработки (отпуска), но при увеличении его содержания в металле ухудшаются показатели  его пластичности, особенно ударной вязкости при отрицательной температуре [3].

Рис. 2 – Диаграмма значений относительного удлинения δ сварных швов, выполненных электродами: 1 – 5 (табл. 1 и 2)

Рис. 3 – Диаграмма значений предела текучести σ_т и предела прочности σ_в сварного шва, наплавленного электродами №1-5

Рис. 4 – Распределение твердости в металле переходной зоны

Рис. 5 – Микроструктуры металла переходных зон сварных соединений при увеличении х200, выполненных с использованием электродов №1-5 (табл. 1)

Исследование топологии твердости (рис. 4) и структуры металла сварных соединений (рис. 5) показывает, что неоднородность его свойств в переходной зоне термического влияния довольно высокая. Так же наблюдается резкое изменение твердости металла у образцов позиции 1 и 2 Это характерно почти для всех типов сварных образцов, что обусловливает необходимость проведения после сварки термической обработки в виде отпуска для выравнивания свойств металла в зоне термического влияния [2, 3].

Анализируя результаты металлографических исследований, можно констатировать, что по механическим свойствам металла сварных швов отечественные аналоги лишь в некоторых случаях (поз. 3 и 4, табл. 1, 2) уступают свойствам металла электродов фирмы ESAB. Некоторое уменьшение относительного удлинения металла шва, полученного сваркой электродом поз. 1 можно объяснить повышенным содержанием неметаллических соединений алюмосиликатного происхождения. Однако, они мелкодисперсные и распределены однородно, что не влияет на величину ударной вязкости при отрицательной температуре. Снижение работы удара при -70◦С для металлов (поз. 3 и 4) обусловлено наличием крупных неметаллических соединений кубоидной формы (поз. 3) и повышенного (до 0,4 масс. %) содержания вольфрама (поз. 4).

Заключение

Промышленные испытания на технологической базе ФНПЦ «Титан-Баррикады» (г. Волгоград) сварочно-технологических свойств, сваренных образцов экспериментальными электродами и электродами, которые массово применяются в машиностроении РФ показали, что качество и механические свойства сварных соединений не уступают и находятся на одном уровне с образцами отечественных и зарубежных аналогов.

 

Список литературы / References

1. Электроды для сварки низколегированных термообрабатываемых сталей, эксплуатируемых при отрицательных температурах / Ю. М. Нягай, О. С. Каковкин, Д. В. Витман, Ю. В. Сванидзе // Сварочное производство. – 1991. №6. – С. 23-25.
2. Кривононосова Е. А. Структура и хладостойкость низкоуглеродистых сварных швов / Е.А. Кривоносова // Сварка и диагностика. – 2014. – №4. – С. 11-13.
3. Лившиц Л. С. Металловедение и термическая обработка сварных соединений / Л. С. Лившиц, А. Н. Хакимов – М. : Машиностроение. – 1989. – 336 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Jelektrody dlja svarki nizkolegirovannyh termoobrabatyvaemyh stalej, jekspluatiruemyh pri otricatel'nyh temperaturah [Electrodes for welding low-alloy heat-treated steels operated at negative temperatures] / Ju. M. Njagaj, O. S. Kakovkin, D. V. Vitman, Ju. V. Svanidze // Welding production. – 1991. №6. – p. 23-25. [In Russian]
2. Krivononosova E. A. Struktura i hladostojkost' nizkouglerodi-styh svarnyh shvov [The structure and cold resistance of low-carbon welded joints]/ E.A. Krivonosova // Welding and diagnostics. – 2014. – №4. – S. 11-13. [In Russian]
3. Livshic L.S. Metallovedenie svarki i termicheskaja obrabotka svarnyh soedinenij [Metallurgy of welding and heat treatment of welded joints] / L.S. Livshic, A.N. Hakimov – M. : Mechanical engineering, – 1989 – 336 p. [In Russian]