Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах
Определена активность растворенного в металле сварочной ванны кислорода с использованием электрохимического метода непосредственно в процессе сварки низколегированной стали в окислительных защитных газах. Обосновано прогнозирование механических свойств металла швов в зависимости от активности кисл...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103016 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах / С.Т. Римский // Автоматическая сварка. — 2011. — № 12 (704). — С. 20-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859595621728518144 |
|---|---|
| author | Римский, С. Т. |
| author_facet | Римский, С. Т. |
| citation_txt | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах / С.Т. Римский // Автоматическая сварка. — 2011. — № 12 (704). — С. 20-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Определена активность растворенного в металле сварочной ванны кислорода с использованием электрохимического
метода непосредственно в процессе сварки низколегированной стали в окислительных защитных газах. Обосновано
прогнозирование механических свойств металла швов в зависимости от активности кислорода в жидком металле
и погонной энергии сварки.
Activity of oxygen dissolved in the weld pool metal directly in the process of welding of low-alloy steel in the oxidising
shielding gas atmosphere was determined by using the electrochemical method. Prediction of mechanical properties of
the weld metal depending on the activity of oxygen in molten metal and on the welding heat input is substantiated.
|
| first_indexed | 2025-11-27T19:57:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК [621.791.754: 669.15-194.2]: 669.785
УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ МЕТАЛЛА ШВА
ПУТЕМ УРЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ОКИСЛЕННОСТИ
СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ПРИ СВАРКЕ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ
С. Т. РИМСКИЙ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Определена активность растворенного в металле сварочной ванны кислорода с использованием электрохимического
метода непосредственно в процессе сварки низколегированной стали в окислительных защитных газах. Обосновано
прогнозирование механических свойств металла швов в зависимости от активности кислорода в жидком металле
и погонной энергии сварки.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, плавящийся элект-
род, окислительные защитные газы, сварочная ванна, элек-
трохимический метод, активность кислорода, погонная
энергия, металл шва, структура и механические свойства
Известно, что структура и свойства металла свар-
ных швов на низколегированных сталях в зна-
чительной степени зависят от содержания в нем
кислорода [1, 2]. При дуговой сварке стали в окис-
лительных защитных газах кислород в жидком
металле капель и сварочной ванны содержится
в различных формах: как в растворенном, так и
в химически связанном состоянии в виде частиц
оксидов и комплексных включений, находящихся
во взвешенном состоянии. Растворимый в металле
кислород [O]р или активность кислорода aо оп-
ределяет ход процессов раскисления, рафиниро-
вания и вторичного окисления, влияет на конеч-
ный состав металла шва, процессы структуро-
образования и его свойства.
Методы анализа содержания кислорода в ме-
талле швов, которые применяются на практике, поз-
воляют оценить его общую концентрацию, т. е.
суммарное содержание кислорода [O]с, активного
и связанного в химические соединения. Эта опе-
рация требует нескольких часов: для отбора пробы,
изготовления образца, транспортировки его в ла-
бораторию и анализа методом вакуум-плавления.
Вместе с тем в большой металлургии получает
все большее распространение метод оценки ак-
тивности кислорода в расплавах на основе железа,
заключающийся в измерении электродвижущей
силы (ЭДС), которая возникает в концентрацион-
ном элементе с твердым оксидным электролитом
[3]. Важной особенностью этого метода является
то, что оксидная фаза, появляющаяся в жидком
металле в результате его раскисления, не влияет
на уровень генерируемой ЭДС, а значит и на ак-
тивность кислорода в металле. Следовательно, из-
мерения можно проводить без предварительной
выдержки датчика в расплаве, осуществляемой с
целью стабилизации процессов в цепи гальвани-
ческого элемента, что имеет существенное зна-
чение при исследовании кратковременных быст-
ропротекающих процессов в сварочной ванне. Ди-
апазон измеряемых значений активности кисло-
рода находится в пределах 0,0001…0,2 мас. % [4].
Содержание растворимого кислорода можно оп-
ределить электрохимическим методом за 15…20 с,
погружая в сварочную ванну кислородный гальва-
нический элемент [5, 6]. Активность кислорода aо
(как величина доступная для прямых измерений
принимается в качестве меры окисленности металла
сварочной ванны) и определение суммарного со-
держания кислорода [O]с в шве взаимно дополняют
друг друга, поскольку разность этих измерений
Δ[O] = [O]с — aо характеризует содержание кис-
лорода, связанного в химические соединения, т. е.
содержание оксидных и комплексных включений
в металле [6].
Кислород, участвуя в металлургических реак-
циях при сварке плавлением, в зависимости от
его концентрации в расплаве может оказывать как
положительное, так и отрицательное влияние на
технологическую прочность [7, 8], склонность к
образованию пор [8], показатели механических
свойств сварных швов [9].
В настоящей работе анализируются механи-
ческие свойства и структура металла швов во
взаимосвязи с изменением активности кислорода
в металле сварочной ванны непосредственно в
процессе сварки низкоуглеродистой стали в окис-
лительных защитных газах.
Для получения данных о содержании раство-
римого кислорода в расплаве использован элек-
трохимический метод. Принципиальная схема эк-
спрессного контроля активности кислорода aо в
металле сварочной ванны посредством измерения
ЭДС, генерируемой в кислородном концентра-
ционном гальваническом элементе на основе
твердого электролита, показана на рис. 1. При-
меняли серийно выпускаемый промышленностью
© С. Т. Римский, 2011
20 12/2011
датчик окисленности из ZrO2, стабили-
зированной Y2O3, с электродом сравне-
ния Mo–MoO2, который погружали в низ-
котемпературную зону сварочной ванны
на глубину 4…6 мм. Расстояние между
датчиком, термопарой и дугой составляло
10…12 мм. Локальный замер температу-
ры металла сварочной ванны проводили
вольфрамрениевой термопарой ВР 5/20.
Для регистрации ЭДС, наводимой в дат-
чике и термопаре, использовали цифро-
вые вольтметры с диапазоном измерения
напряжения от нуля до 1000 мВ.
По измеренным значениям ЭДС галь-
ванической ячейки и температуре метал-
ла сварочной ванны определяли актив-
ность кислорода [4]
lg ao = 2,685 – 10,086E + 5661
T ,
где E — ЭДС, генерируемая в цепи концентра-
ционного элемента, мВ; T — температура сва-
рочной ванны, К.
Опытные сварки стыковых соединений с V-
образной разделкой кромок на стали ВСт3сп вы-
полняли на токе обратной полярности проволокой
Св-08Г2С диаметром 2 мм в CO2 и смеси газов
Ar + 20 % CO2. Изменение активности кислорода
aо в металле сварочной ванны изучали в зависи-
мости от напряжения на дуге в интервале
28…36 В при фиксированных значениях свароч-
ного тока: 400, 450, 500 А и погонной энергии
g/v сварки от 5 до 35 кДж/см. Результаты изме-
рений aо представлены на рис. 2 и 3.
Как видно из рис. 2, при сварке в смеси Ar +
+ 20% CO2 активность кислорода aо в металле
сварочной ванны линейно увеличивается с воз-
растанием напряжения дуги, причем наиболее
четко это проявляется при токе 400 А. Чувстви-
тельность aо к изменению напряжения дуги
уменьшается по мере повышения сварочного тока.
При сварке на токе 500 А активность кислорода
остается практически неизменной во всем интер-
вале опробованных значений напряжения дуги.
Определена область режимов сварки, в которой
при неизменных составах защитного газа и сва-
рочной проволоки изменение основных парамет-
ров режима (Icв, Uд, vсв) не вызывает существен-
ного изменения активности кислорода, т. е. уров-
ня окисленности жидкого металла. Как видно из
рис. 3, по мере увеличения погонной энергии g/v
сварки окисленность металла сварочной ванны
сначала возрастает почти линейно, затем этот рост
Рис. 1. Принципиальная схема экспрессного контроля активности кисло-
рода в металле сварочной ванны: 1 — свариваемый металл; 2 — свароч-
ная ванна; 3 — датчик окисленности; 4 — термопара; 5, 6 —
измерительные приборы; 7 — сварочный электрод; 8 — сварной шов;
α — угол наклона датчика и термопары, равный 15…20°
Рис. 2. Изменение активности кислорода aо в металле свароч-
ной ванны в зависимости от напряжения на дуге при сварке
стали в смеси газов Ar + 20 % CO2: 1 — Iсв = 400; 2 — 450;
3 — 500 А
Рис. 3. Изменение активности кислорода aо в металле свароч-
ной ванны в зависимости от погонной энергии сварки стали
в окислительных защитных газах: 1 — CO2; 2 — Ar + 20 %
CO2
12/2011 21
замедляется и в области режимов с погонной энер-
гией выше 20 кДж/см активность aо остается прак-
тически неизменной. Эта закономерность проявля-
ется при сварке в CO2 и смеси газов Ar + 20 %
CO2, имеющих различную окислительную способ-
ность. Такой характер зависимости активности кис-
лорода от параметров режима сварки, по-видимому,
можно объяснить, во-первых, увеличением доли ос-
новного металла в сварочной ванне, а также по-
вышением содержания паров железа в атмосфере
дуги, снижающим парциальное давление окисли-
тельных газов, а следовательно, и поглощение кис-
лорода каплями электродного металла.
Дальнейшие исследования позволили оценить
влияние погонной энергии сварки на активность
кислорода в расплаве и показатели механических
свойств швов, выполненных на стали ВСт3сп в
CO2 и смеси газов Ar + 20 % CO2 (таблица). Дан-
ные таблицы свидетельствуют о том, что с по-
вышением окислительной способности защитной
среды значения aо возрастают. Однако они на по-
рядок ниже общего содержания кислорода [O]с
в металле шва, определенного методом вакуум-
плавления.
Изучена структура металла опытных швов с
использованием оптического и электронного мик-
роскопов, а также исследован характер γ→α-прев-
ращения этого металла в условиях непрерывного
охлаждения с помощью чувствительной дилато-
метрической аппаратуры в сочетании с высоко-
температурной металлографией на установке
«Ала-Тоо». Для точного измерения температуры
использовали термопару Рt – Рt-10 % Rh. Для пре-
дотвращения окисления или обезуглероживания
образца дилатометр был вакуумирован до давле-
ния 2⋅10–4 торр, затем заполнен высокочистым ар-
гоном. Для исследования влияния кислорода на
особенности распада аустенита в металле швов
образцы нагревали до температуры 1250 °С с вы-
держкой 2 мин при этой температуре, обеспечи-
вающей одинаковый размер зерен. Охлаждение
осуществляли со скоростью 5 °С/с в интервале от
800 до 500 °С. Во время этого термического цикла,
имитирующего условия сварки, выполняли запись
температуры в зависимости от времени удлинения
образца с помощью специально проградуирован-
ного потенциометра КСП-4.
Установлено, что высокие значения ударной
вязкости металла швов и максимальное количес-
тво игольчатого феррита в структуре металла
швов достигаются при содержании химически
связанного кислорода Δ[O] в швах от 0,015 до
0,045 % (рис. 4, a) и изменениях содержания ле-
гирующих элементов и примесей в следующих
пределах, мас. %: 0,08…0,11 C; 0,40…0,55 Si;
1,2…1,5 Mn; 0,015…0,020 серы и фосфора. От-
клонения концентрации кислорода в большую и
меньшую сторону от указанного диапазона соп-
Механические свойства металла швов, выполненных в окислительных защитных газах на стали ВСт3сп, в зависи-
мости от погонной энергии сварки и активности кислорода в сварочной ванне
Защитный газ g/v,
кДж/см
[O]c,
мас. % ao, мас. % Δ[O],
мас. % σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, %
KCV, Дж/см2, при T, °С
+20 –20 –40
CO2 18,4 0,054 0,0056 0,0484 350 420 26,5 55,2 120 60 32
28,8 0,061 0,0063 0,0547 335 380 25,2 53,4 98 42 16
Ar + 20 % CO2 18,4 0,035 0,0034 0,0316 384 530 33,0 66,0 165 115 55
28,8 0,046 0,0040 0,0420 353 465 29,3 58,6 136 91 43
Пр и м е ч а н и е . Приведены средние значения по результатам испытаний трех–пяти образцов.
Рис. 4. Влияние кислорода, связанного в химические соеди-
нения Δ[O], на ударную вязкость и микроструктуру (×200)
металла швов, выполненных в окислительных защитных га-
зах: а — структура игольчатого феррита с бейнитными учас-
тками; б — структура, в которой преобладает игольчатый
феррит; в — зернограничный феррит и пластинчатые выде-
ления видманштеттового феррита
22 12/2011
ровождаются уменьшением количества игольча-
того феррита в структуре. В металле швов с вы-
соким (0,06…0,07 %) содержанием кислорода
γ→α-превращение происходит при более высокой
температуре от 720 до 680 °С, что на 20…30 °С
выше по сравнению со швами, содержащими его
0,045 % и менее. Понижение температуры начала
превращения замедляет диффузионные процессы в
области перлитного превращения. В результате ос-
новная часть аустенита претерпевает превращение
по сдвиговому механизму с образованием мелко-
дисперсного игольчатого феррита. Обнаружено, что
при содержании кислорода в пределах
0,015…0,045 % в структуре металла швов содер-
жится 75…80 % игольчатого феррита (см. рис. 4,
б). Электронно-микроскопические исследования
показывают, что образовавшаяся игольчатая фаза
не является бейнитом, поскольку по краям игл
отсутствуют характерные выделения карбидной
фазы (рис. 5). В матрице, окружающей растущую
ферритную иглу, наблюдается повышенная плот-
ность дислокаций.
Мелкодисперсные оксидные частицы разме-
ром менее 0,1 мкм, присутствующие в металле,
являются зародышами ферритной фазы в теле аус-
тенитных зерен, что подтверждается результата-
ми электронно-микроскопических исследований
(рис. 5). Уменьшение содержания игольчатого
феррита в швах с концентрацией кислорода
менее 0,015 % (см. рис. 4, а) можно объяс-
нить уменьшением количества оксидных
частиц, т. е. количества центров зарождения
ферритной фазы. Такие частицы в зависи-
мости от их количества и размеров способ-
ствуют формированию той или иной мор-
фологии ферритной фазы [1], оказывающей
влияние на тонкую структуру металла и в
итоге — на его склонность к хрупкому раз-
рушению.
Таким образом, количественные данные
об активности кислорода в жидком металле
сварочной ванны не только дают возмож-
ность объяснить наблюдаемые при сварке
явления, но и, что более важно, позволяют
научно обоснованно планировать тот или
иной эффект. В частности, такие данные
крайне необходимы при разработке схем ле-
гирования новых сварочных проволок, вы-
бора оптимального сочетания защитный газ – про-
волока, а также при разработке технологии сварки
конструкционных сталей, более уверенно прог-
нозировать механические свойства металла швов.
1. Cochrane R. C., Kirkwood P. R. The effect of oxygen on
weld metal microstructure // Proc. Intern. conf. on trends in
steels and consumables for welding. — London, 14–16
Nov., 1978. — Cambridge: Weld. Inst., 1979. — 1. —
P. 103–122.
2. Куликов И. С. Раскисление металлов. — М.: Металлур-
гия, 1975. — 504 с.
3. Экспрессное определение содержания кислорода в стали
/ В. И. Явойский, А. Ф. Вишкарев, В. П. Лузгин и др. —
М.: Металлургия, 1975. — 120 с.
4. Лузгин В. П., Явойский В. И. Газы в стали и качество ме-
талла. — М.: Металлургия, 1983. — 229 с.
5. А. с. СССР, G 01 N 27/46. Способ определения активнос-
ти элементов в расплаве / С. Т. Римский, В. Г. Свецинс-
кий, Т. П. Бондаренко и др. — Приор. 22.12.1986.
6. Определение активности кислорода в жидком металле
при сварке стали в защитных газах /В. Г. Свецинский,
Т. П. Бондаренко, С. Т. Римский, В. В. Подгаецкий // Ав-
томат. сварка. — 1988. — № 2. — С. 73.
7. Римский С. Т., Свецинский В. Г. Влияние состава окисли-
тельной аргоновой смеси на стойкость шва на стали
ВСт3сп против образования кристаллизационных тре-
щин // Там же. — 1977. — № 10. — С. 48–52, 54.
8. Підгаєцький В. В. Пори, включення і тріщини в зварних
швах. — К.: Техніка, 1970. — 236 с.
9. Свецинский В. Г., Римский С. Т., Петров Ю. Н. Особен-
ности тонкой структуры металла швов, сваренных в за-
щитных газах // Автомат. сварка. — 1974. — № 8. —
С. 5–8.
Activity of oxygen dissolved in the weld pool metal directly in the process of welding of low-alloy steel in the oxidising
shielding gas atmosphere was determined by using the electrochemical method. Prediction of mechanical properties of
the weld metal depending on the activity of oxygen in molten metal and on the welding heat input is substantiated.
Поступила в редакцию 24.06.2011
Рис. 5. Микроструктура (×13200) игольчатого феррита в металле
швов, сваренных в смеси Ar + 20 % CO2 (стрелками обозначены
оксидные включения, связанные с конечными участками ферритных
игл)
12/2011 23
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103016 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T19:57:24Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Римский, С. Т. 2016-06-13T08:06:24Z 2016-06-13T08:06:24Z 2011 Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах / С.Т. Римский // Автоматическая сварка. — 2011. — № 12 (704). — С. 20-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103016 [621.791.754: 669.15-194.2]: 669.785. Определена активность растворенного в металле сварочной ванны кислорода с использованием электрохимического метода непосредственно в процессе сварки низколегированной стали в окислительных защитных газах. Обосновано прогнозирование механических свойств металла швов в зависимости от активности кислорода в жидком металле и погонной энергии сварки. Activity of oxygen dissolved in the weld pool metal directly in the process of welding of low-alloy steel in the oxidising shielding gas atmosphere was determined by using the electrochemical method. Prediction of mechanical properties of the weld metal depending on the activity of oxygen in molten metal and on the welding heat input is substantiated. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах Control of weld metal properties by adjustment of oxidation level of weld pool in shielded-gas welding Article published earlier |
| spellingShingle | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах Римский, С. Т. Научно-технический раздел |
| title | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах |
| title_alt | Control of weld metal properties by adjustment of oxidation level of weld pool in shielded-gas welding |
| title_full | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах |
| title_fullStr | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах |
| title_full_unstemmed | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах |
| title_short | Управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах |
| title_sort | управление свойствами металла шва путем урегулирования уровня окисленности сварочной ванны при сварке в защитных газах |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103016 |
| work_keys_str_mv | AT rimskiist upravleniesvoistvamimetallašvaputemuregulirovaniâurovnâokislennostisvaročnoivannyprisvarkevzaŝitnyhgazah AT rimskiist controlofweldmetalpropertiesbyadjustmentofoxidationlevelofweldpoolinshieldedgaswelding |