Разработка и обоснование технологии сварки алюминиевых бронз со сталями

В судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности при изготовлении многих ответственных изделий необходимо применять сварку медных сплавов со сталями (соединения трубных решеток из медных сплавов со стальным корпусом при изготовлении конденсаторовсоединения стальных ниппелей, фланцев, штуцеров, переборочных стаканов с трубами из медных сплавов в трубопроводах забортной воды, хладона, систем углекислотного тушения, топливных трубопроводах, в системах дизель-генераторов и воздухоохладителейсоединения деталей из медных сплавов и стали в судовой арматуресоединения стальных ребер жесткости с фланцами из медных сплавов на крышках охладителей в теплообменных аппаратахсоединения облицовочных полос или втулок из алюминиевых бронз со стальными деталями в узлах трениясоединения полос из алюминиевых бронз со стальным полотном дверейсоединения направляющих из алюминиевых бронз со стальюсоединения медной стенки кристаллизатора со стальной рубашкойсоединения массивной медной головки со стальными трубами фурм кислородного дутьясоединения углеродистых сталей с медью при изготовлении мартеновских фурмсоединения медноникелевого сплава с углеродистой сталью при изготовлении холодильных установок, испарителей, сосудов давления и др.).

Многие из приведенных выше ответственных изделий изготавливаются из сварных соединений алюминиевых бронз со сталями.

Сварка медных сплавов со сталями имеет определенные особенности и трудности, основными из которых являются малая растворимость меди в железе и железа в меди, различия в температуре плавления, составах, структуре и свойствах соединяемых металлов, возможность образования в шве новых структурных составляющих, отсутствовавших в исходных металлах и др.

Проведенный литературный обзор показал, что процессы формирования металла шва, особенности сварки с ложно легированных алюминиевых бронз со сталями, влияние степени расплавления стали, состава и структуры металла шва на свойства сварных соединений меди и ее сплавов со сталями изучены недостаточно. Технология сварки разрабатывалась преимущественно для получения сварных соединений меди, медно-никелевого сплава МНЖ5−1 и бронзы БрАМц9−2 с углеродистыми сталями. Применяемая технология сварки и сварочные проволоки из сплавов марок МНЖКТ5−1-0,2−0,2, БрАМц9−2, 80 СиА18 не обеспечивают временное сопротивление сварных соединений (другие свойства практически не рассматривались) на уровне свойств основных материалов, особенно при сварке сложнолегированных бронз с высокопрочными сталями. Исследования, проведенные в последнее время во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» по изучению механических свойств сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями, показали, что при сварке по используемой в промышленности технологии значения ударной вязкости металла шва, особенно в зоне сплавления сталь-шов, в 3−4 раза ниже ударной вязкости бронзы. Временное сопротивление сварных соединений также ниже временного сопротивления бронзы. Причины такого понижения механических свойств сварных соединений ранее не исследовались.

Выполненные в настоящей работе исследования позволили установить причину получения низких значений ударной вязкости и временного сопротивления сварных соединений алюминиевых бронз со сталями и разработать новую технологию сварки, обеспечивающую получение временного сопротивления и ударной вязкости сварных соединений на уровне свойств бронзы, что дает возможность создавать современные конструкции с применением сварных соединений разнородных алюминиевых бронз и сталей.

Дель работы и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлось разработка научно обоснованной технологии аргонодуговой сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями, обеспечивающей получение временного сопротивления и ударной вязкости металла сварных соединений на уровне свойств бронзы. Для достижение поставленной цели решались следующие задачи: -исследование структуры металла шва сварных соединений в зависимости от степени расплавления стали;

— исследование химического и фазового состава металла шва и отдельных структур в нем;

— разработка схемы формирования состава и структуры металла шва при сварке;

— определение влияния состава и структуры металла шва на механические свойства сварных соединений;

— определение влияния технологии сварки на степень расплавления стали- -разработка технологии сварки, обеспечивающей получение временного сопротивления и ударной вязкости сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями на уровне основного материала — бронзы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: -установлено, что при сварке алюминиевых бронз со сталями структура металла шва состоит преимущественно из двух сложных фаз переменного состава: афазы с ГЦК — решеткой (твердый раствор на основе меди) в виде матрицы металла шва и ф-фазы с ОЦК — решеткой (твердый раствор на основе а-железа) в виде ее выделений по сечению металла шва и кристаллизационной прослойки у границы сплавления со стальюопределены их химические составы и параметры кристаллических решеток;

— установлена закономерность изменения состава аи ффаз, количества выделений ффазы и толщины кристаллизационной прослойки в зависимости от степени расплавления стали. С повышением степени расплавления стали увеличивается количество выделений хрупкой ффазы и толщина кристаллизационной прослойки, что приводит к существенному уменьшению ударной вязкости металла сварных соединений и к изменению характера их разрушения от вязкого к хрупкому. При этом матрица металла шва обедняется упрочняющими элементами — алюминием и никелем, диффундирующими из жидкой ос-фазы в образующуюся срфазу и в сталь, что приводит к уменьшению временного сопротивления металла шва;

— установлено, что для повышения временного сопротивления и ударной вязкости металла шва и сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями до уровня свойств бронзы технология сварки должна обеспечивать пониженную степень расплавления стали. Определены технологические параметры аргонодуговой сварки, обеспечивающие пониженную степень расплавления стали за счет того, что между дугой и сталью во все время процесса сварки имеется слой жидкого металла из медного сплава, предотвращающего непосредственное горение дуги между неплавя-щимся электродом и сталью;

— предложен критерий обеспечения конструктивной прочности разнородных сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями (по временному сопротивлению и ударной вязкости): среднее содержание ффазы в зоне переменного состава металла шва у границы сплавления со сталью не должно превышать 25%;

— сформулирована схема формирования металла шва при сварке медных сплавов со сталями, учитывающая различия в теплофизических свойствах свариваемых металлов и ограниченную растворимость железа в бронзах и меди в железе и заключающаяся в следующем. Железо, перешедшее в сварочную ванну в результате расплавления стали в количествах, превышающих его растворимость в жидком медном сплаве, в процессе охлаждения сварочной ванны кристаллизуется как по ее сечению, так и на оплавленных зернах стали в виде отдельных выделений и кристаллизационной прослойки. В эти выделения и в прослойку диффундируют из сварочной ванны медь, алюминий, углерод и другие элементы, входящие в ее состав, формируя ср-фазу. Выделения ф-фазы, наряду с оплавленными зернами стали и бронзы, становятся центрами дальнейшей кристаллизации металла шва. При достижении температуры солидуса оставшаяся жидкая часть сварочной ванны кристаллизуется в афазу. Из-за высокой скорости охлаждения сварочной ванны избыточные железо в афазе и медь в ф-фазе преимущественно сохраняются в них в виде пересыщенных твердых растворов на основе соответственно меди и а-железа.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— показано, что для обеспечения временного сопротивления и ударной вязкости металла шва сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистой и низколегированной сталью на уровне свойств основного металла (бронзы) сварку следует выполнять таким образом, чтобы среднее содержание железа и количество срфазы (по площади) в зоне переменного состава металла шва у границы сплавления со сталью не превышали соответственно 16 и 25%;

— разработана новая технология аргонодуговой сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями, обеспечивающая пониженную степень расплавления стали, при которой содержание железа и срфазы в зоне переменного состава металла шва у границы сплавления со сталью не превышает соответственно 16 и 25%, а временное сопротивление и ударная вязкость сварных соединений находятся на уровне свойств бронзы;

— разработана и освоена на ОАО «ЛМЗ» технология аргонодуговой сварки в различных пространственных положениях плавящимся и неплавящимся электродом трубных досок из алюминиевой бронзы СиА18Ре с корпусом и фланцами из стали 81 37−2 (российский аналог Ст 3) применительно к изготовлению конденсатора и выпущена согласованная с ОАО «ЛМЗ» технологическая инструкция «Сварка трубных досок из алюминиевой бронзы марки СиА18Ре с корпусом и с фланцами конденсатора из стали 8137−2» № 103−15;

— основные положения и результаты выполненной работы по разработке технологии сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями с пониженной степенью расплавления стали внедрены на ФГУП «Адмиралтейские верфи» при аргонодуговой сварки изделий МСЧ.

Основные положения, выносимые на защиту:

— результаты исследования влияния степени расплавления стали на структуру, химический и фазовый состав металла шва сварных соединений алюминиевых бронз со сталями;

— особенности формирования как состава и структуры металла шва, так и отдельных структурных составляющих в нем при сварке разнородных алюминиевой бронзы и стали;

— влияние степени расплавления стали при сварке на механические свойства (временное сопротивление и ударную вязкость) металла шва и сварного соединения в целом;

— новая технология сварки алюминиевых бронз со сталями с пониженной степенью расплавления стали.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались: на ежегодной конференции молодых ученых и специалистов (г. Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2006, 2007 г.г.) — на семинаре «Петровские чтения» в рамках научно-технической конференции «160 лет Котлонадзора России» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.) — на X всероссийском научно-практическом семинаре «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.) — на втором научно-практическом семинаре предприятий стран СНГ «Дуговая сварка. Материалы и качество» (г. Магнитогорск, 2005 г.) — на семинаре «Технология дуговой сварки и наплавки при решении задач современной промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.) — на научно-практической конференции «Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 научнотехнических работ, из них 6 в журнале, рекомендованном ВАК РФ, получены 3 патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 111 наименований и 2 приложений. Общий объем составляет 153 страницы компьютерного текста, включая 29 рисунков и 28 таблиц.

Общие выводы по работе.

1. Установлено, что при сварке плавлением алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями по используемым в промышленности технологиям временное сопротивление и ударная вязкость сварных соединений ниже соответственно временного сопротивления и ударной вязкости бронзы и исходного присадочного материала. Причина такого снижения механических свойств сварных соединений не изучалась.

2. Установлено, что структура металла шва сварного соединения алюминиевых бронз со сталями при сварке с расплавлением стали состоит из двух фаз: а-фазыматрицы металла шва и расположенной в ней ср-фазы в виде выделений по его сечению и кристаллизационной прослойки у граница сплавления со сталью.

3. а-фаза имеет ГЦК — кристаллическую решетку и представляет собой сложный твердый раствор переменного состава железа, алюминия, марганца и др. элементов стали и бронзы (пересыщенный по железу) в меди. В сварном соединении бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 со сталью АБ2 а-фаза имеет следующий химический состав (основные элементы, масс.%): алюминий- 5,7−8,2- марганец-0,6−1,4- железо- 3,2−6,4- никель — 3,4−5,0- медь— основа, а параметр ее кристаллической решетки а= 3,654−3,660А.

4. ф-фаза имеет ОЦК — кристаллическую решетку с параметром а= 2,890−2,895А и представляет собой сложный твердый раствор переменного состава меди, алюминия, никеля, марганца, углерода и др. элементов стали и бронзы в а-железе (пересыщенный по меди). Она имеет следующий химический состав (основные элементы, масс.%): алюминий- 4,1−9,0- марганец- 0,8−1,6- никель-4,9−8,8- медь- 13,6−22,1- углерод- 0,062−0,07- кремний- 0,24−0,28- железооснова. Образцы с химическим составом ср-фазы имеют временное сопротивление 629−813/787 МПаударную вязкость -2,5 Дж/см2. Рассмотренная ср-фаза является новой фазой, образующейся в металле шва при сварке плавлением алюминиевых бронз со сталями.

5. Установлено влияние степени расплавления стали при сварке на структуру и химический состав металла шва и отдельных фаз в нем. Повышение степени расплавления стали приводит:

— к увеличению количества выделений ф-фазы по сечению металла шва, особенно в зоне переменного состава у границы сплавления его со сталью, и площади металла шва, занятой ими (до 40−60% и более), и к увеличению толщины кристаллизационной прослойки (до 70мкм и более);

— к увеличению содержания железа от 5 до 40% и более, снижению содержания алюминия от 8,4 до 4,4%, никеля от 5,0 до 3,7% и меди от 80 до 51,5% и менее в металле шва;

— к обеднению а-фазы основными упрочняющими элементамиалюминием (с 8,2 до 5,7%) и никелем (с 5,0 до 3,4%) из-за их перехода в образующуюся в металле шва ср-фазу;

— к снижению в ф-фазе содержания меди от 22,1 до 13,6%, алюминияот 9,0 до 4,1%, никеляот 8,8 до 7,9%.

6. В стали у границы с металлом шва в результате диффузии в нее меди, алюминия и др. элементов медного сплава образуется диффузионная прослойка толщиной 5−15мкм. По ее сечению наблюдается плавное изменение концентрации элементов: от границы со швом в сталь происходит уменьшение содержания меди и алюминия и повышение содержания железа.

7. Предложена схема формирования металла шва при сварке алюминиевых бронз со сталями, учитывающая, в отличие от сварки однородных металлов, различия в теплофизических свойствах свариваемых металлов и ограниченную растворимость железа в бронзах и меди в железе.

Железо, перешедшее в сварочную ванну в результате расплавления стали в количествах, превышающих его растворимость в жидком медном сплаве, в процессе охлаждения сварочной ванны кристаллизуется как по ее сечению, так и на оплавленных зернах стали в виде отдельных выделений и кристаллизационной прослойки. В эти выделения и в прослойку диффундируют из сварочной ванны медь, алюминий, углерод и другие элементы, входящие в ее состав, формируя ф-фазу. Выделения ф-фазы, наряду с оплавленными зернами стали и бронзы, становятся центрами дальнейшей кристаллизации металла шва. При достижении температуры солидуса оставшаяся жидкая часть сварочной ванны кристаллизуется в афазу. Из-за высокой скорости охлаждения сварочной ванны избыточные железо в афазе и медь в ф-фазе преимущественно сохраняются в них в виде пересыщенных твердых растворов на основе соответственно меди и а-железа.

8. Установлено влияние степени расплавления стали на временное сопротивление и ударную вязкость сварных соединений алюминиевой бронзы со сталями.

Временное сопротивление сварных соединений с увеличением степени расплавления стали уменьшается из-за обеднения а-фазы такими упрочняющими элементами, как алюминий и никель, в результате их перехода в образующуюся ф-фазу.

Ударная вязкость сварных соединений с увеличением степени расплавления стали уменьшается из-за увеличения в металле шва количества ф-фазы. При этом характер разрушения образцов изменяется от вязкого к хрупкому. Наиболее низкие значения ударной вязкости имеют участки сварного соединения в зоне переменного состава металла шва у границы сплавления со сталью.

При содержании в металле шва менее 16% железа (25% ф-фазы по площади) ударная вязкость сварного соединения при надрезе по границе сплавления сталь-шов составляет 29−39 Дж/см, что находится на уровне ударной вязкости бронзы, а характер разрушения образцов становится преимущественно вязким. Временное сопротивление таких сварных соединений составляет в среднем 623МПа, что также находится на уровне свойств бронзы.

9. Разработана технология аргонодуговой сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями, при которой предварительно на сталь наплавляется подслой с ее минимальным расплавлением, выполняется подготовка кромок под сварку с применением разработанных конструктивных элементов и производится сварка подслоя с бронзой, что обеспечивает получение временного сопротивления и ударной вязкости сварных соединений на уровне свойств бронзы.

10. Разработана технология аргонодуговой сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями без применения подслоя с пониженной степенью расплавления стали за счет применения специальной разделки кромок и техники сварки, что обеспечивает получение временного сопротивления и ударной вязкости сварных соединений на уровне свойств бронзы.

11. Разработана технология механизированной аргонодуговой сварки алюминиевой бронзы со сталью в различных пространственных положениях, обеспечивающая получение временного сопротивления сварных соединений на уровне свойств основного материала (бронзы).

12 Технология аргонодуговой сварки трубных досок из алюминиевой бронзы с корпусом и с фланцами из углеродистой стали освоена на ОАО «ЛМЗ» для изготовления конденсатора. Выпущена согласованная с ОАО «ЛМЗ» технологическая инструкция № 103−15 «Сварка трубных досок из алюминиевой бронзы марки СиАШРе Б48 с корпусом и с фланцами конденсатора из стали 8137−2».

13. Основные положения и результаты выполненной работы по разработке технологии сварки алюминиевых бронз со сталями с пониженной степенью расплавления стали внедрены в 2006;2008г.г. на ФГУП «Адмиралтейские верфи» при аргонодуговой сварке изделий МСЧ.

14. На разработанные «Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями», «Способ сварки меди и ее сплавов со сталью» и «Конструкцию узла подготовки кромок под сварку меди и ее сплавов со сталью» получены патенты РФ соответственно на изобретения № 2 325 252 и № 2 346 793 и на полезную модель № 67 002.