CC BY
2
Key words: heat-resistant alloy, heat treatment, weld, electron beam welding, plasma and argon arc welding, mechanical properties, annealing, aging.
Korzhov Kirill Nikolaevich, head of the department, KorzhovKN@laspace. ru, Russia, Khimki, Lavochkin Association,
Parshukov Leonid Ivanovich, candidate of physical and mathematical sciences, lead engineer, Parshu-kovLI@laspace. ru, Russia, Moscow region, Khimki, Lavochkin Association,
Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Aniskov Viktor Borisovich, student, amigo69rus2008@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.791
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-3-582-583
ПОРИСТОСТЬ ПРИ СВАРКЕ МЕДИ СО СТАЛЬЮ И СПОСОБЫ ЕЁ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
Т.В. Редичкина, В.В. Юров, В.В. Неверов
Рассмотрены особенности сварных соединений разнородных материалов медь-сталь, используемых при изготовлении биметаллической доменной фурмы. Описаны дефекты сварных соединений в виде пор и способы поиска причин возникновения. Приведены результаты исследований микроструктуры сварного соединения и химического состава пор. Выявлены причины возникновения пор и способы их устранения.
Ключевые слова: сварное соединение медь-сталь, поры, доменная фурма.
Сварные соединения меди со сталью достаточно широко используются, в частности, при производстве медно-стальных фурм, используемых в доменном и конверторном производстве (рис. 1, 2), в частности, на Новолипецком металлургическом комбинате. Корпус фурмы обычно изготавливается из меди, рыло - стальное, выполненное из низкоуглеродистой низколегированной конструкционной стали.
Медь со сталью обычно сваривают либо покрытыми электродами (с медным стержнем, например марки «Комсосмолец 100»), либо медной проволокой в среде аргона.
Сама сварка меди со сталью обычно не вызывает затруднений, хотя и имеет свои особенности . А именно: высокая теплопроводность меди требует дополнительного подогрева при толщине металла более 2 мм; необходимость тщательной защиты сварного соединения от атмосферы воздуха вследствие высокой способности к окислению меди и растворении в жидком металле водорода; высокая жидкотекучесть меди позволяет производить сварку только в нижнем положении [1-3].
Тем не менее, даже при учёте всех перечисленных особенностей качество медно-стальных сварных соединений бывает нестабильным. В частности, при производстве указанных доменных фурм в ремонтном производстве ПАО «НЛМК» прочность на разрыв сварного соединения могла варьировать в пределах 60.. .150 МПа, что делало непредсказуемой работоспособность всей детали. При этом технология сварки не подвергалась изменениям. Авторами были проведены исследования, направленные на установление причины такой нестабильности и устранения дестабилизирующего фактора.
Для решения поставленной задачи необходимо было провести металлографические исследования сварных соединений как дефектных, так и с рабочим (в пределах 120.150 МПа), пределом прочности. Так как неразру-шающими методами определить такое соединение было невозможно, приходилось изучать большое количество образцов, сваренных на режимах и по технологии и с использованием тех же оборудования и материалов, что и сварка медных фурм.
Автоматическая сварка осуществлялась в среде аргона на постоянном токе обратной полярности медной проволокой марки МСр1 по ГОСТ 16130-90 диметром 2 мм. Толщина свариваемых встык элементов (медь М1 +сталь Ст3) - 4+4 мм, 4+6 мм и 4+10 мм. Режимы сварки выбирались исходя из наименьшей толщины металла: Сила сварочного тока 1св- 220А, напряжение на дуге Ид- 28В, расход защитного газа (аргон) - 8 л/мин, скорость сварки - 6 м/час, скорость подачи электродной (медной) проволоки - 42 м/час. При сварке использовался предварительный подогрев газовой горелкой медной части фурмы до 350 оС. Всего было изготовлено 30 образцов, сваренных в различное время. Образец для металлографических исследований показан на рис. 3.
Подготовка образца проводилось по стандартной методике, включавшей вырез металла из сварного соединения, его шлифовку, полировку и травление в 3% растворе азотной кислоты в спирте. В результате исследований в 22 образцах были получены бездефектные соединения (рис. 4). А в 8 образцах были обнаружены поры в виде сфер и неправильной формы (рис. 5 а,б), которые, по всей видимости, и были причиной резкого снижения прочности сварного соединения.
Поры при сварке меди, как правило, возникают либо в случае закипания меди, либо при растворении в жидком металле водорода и кислорода с последующим выделением в виде газообразной фазы при охлаждении [2, 4]. В первом случае причиной является неправильно подобранные режимы сварки, приводящие к перегреву металла. Во втором случае причиной является недостаточная защита сварного соединения при сварке вследствие недостаточного расхода защитного газа, его недостаточной чистоты и т.д. Однако в случае наличия этих причин дефекты были бы стабильными. Но в нашем случае, как указывалось ранее, в большинстве сварных соединений дефектов обнаружено не было, а режимы сварки и технология в целом оставались неизменными.
(материал - медь М1); 3 - внутренний корпус фурмы (материал - медь М1); 4, 8 - «рыло» фурмы (материал -сталь Ст3); 5 - корпус патрубка подачи природного газа (материал - сталь Сталь Ст3); 6, 7 - входы патрубка
подачи природного газа; 9 - сварные соединения медь-сталь; 10 - канал подачи природного газа; 11 - водоохлаждаемая полость. (Неуказанные размеры Ь, й1-й4 зависят от конкретного типоразмера фурмы)
Рис. 3. Общий вид образца для металлографических исследований (медь + сталь, толщина 4+6 мм
соответственно)
Для выявления причины необходимо было детально исследовать состав пор, для чего производилась электронная микроскопия с определением химического состава пор на образцах с такими дефектами. Анализ проводился на электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 при ускоряющем напряжении (15-20)кВ в режиме вторичных электронов (SE-детектор). Химический состав поверхности дефекта определялся методом микрорентгеноспектраль-ного анализа с использованием энергодисперсионной приставки Oxford, обработка полученной информации проводилась программным комплексом Inca.
Результаты исследований показали следующее.
В порах выявлено высокое содержание углерода и кислорода (рис. 6, табл. 1), количество которых совершенно не характерно для свариваемых материалов даже в случае образования кислород- и углеродсодержащих химических соединений. Также чрезмерно высокое содержание указанных элементов наблюдалось и непосредственно в металле сварного шва (медь) соединения медь-сталь. Подобные явления явно свидетельствовали о внешнем проникновении указанных элементов в зону сварного соединения, ибо в свариваемых металлах содержание кислорода и углерода многократно меньше.
При дальнейшем исследовании технологического процесса оказалось, что предварительный подогрев осуществляется кислород-пропановой газовой горелкой. Данная горелка перемещается как в процессе сварки (для доступа сварочной головки непосредственно к соединению), так и при смене самой фурмы. При таких её перемещениях иногда происходило смещение вентилей подачи горючего газа и кислорода. В результате в пламени горелки менялось соотношение горючего газа и кислорода, что приводило к изменению химического состава пламени. В частности, были выявлены случаи подогрева металла фурмы восстановительным пламенем, когда присутствовало перенасыщение пламени углеродом, что приводило к осаждению кристаллического углерода в виде сажи на свариваемых поверхностях (пламя «коптило»). На саже, после удаления горелки из зоны нагрева, возникал слой адсорбционного кислорода, что приводило к насыщению указанными элементами металла сварного шва при сварке.
х100
Рис. 4. Бездефектное сварное соединение
шщ
а - х100
Рис. 5. Поры в сварном соединении медь-сталь: а
S ЕМ HV: 20,0 kV WD: 14.87 mm I I I I I I I I I VEGA3TESCAN
Vtewfield: 277 мш Det: SE 50 |jm ЛГТУ
Рис. 6. Электронно-микроскопическое изображение металла сварного шва (медь) соединения медь-сталь с дефектами, Х1000
После усиления контроля за составом пламени подогревающей горелки и недопущения подогрева с выделением сажи н свариваемых поверхностях удалось добиться исключения пор и стабилизировать качество сварных соединений медь-сталь.
Результаты микрорентгеноспектрального ^ анализа поверхности дефекта на рисунке 6, % масс.
Спектр C O Si S Cr Mn Fe Cu
1 24,46 17,70 0,70 0,29 7,56 - 3,97 45,33
2 21,92 7,50 1,05 - 0,69 0,36 1,07 67,42
Таким образом, при сварке с использованием подогрева газовой горелкой необходимо осуществлять контроль не только за соблюдением технологических параметров режима сварки, за подготовкой свариваемых поверхностей и качеством защитного газа, но и за составом газового пламени, не допуская осаждения сажи н свариваемых поверхностях.
Список литературы
1. Алешин Н.П., Чернышов Г.Г., Акулов А.И. и др. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х томах. М.: Машиностроение, 2004. Т. 2. 480 с.
2. Паркин А.А. Технологические основы сварки металлов, сплавов и пластмасс плавлением: учеб. пособие. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. 333 с.
3. Абрамович В.Р., Демянцевич В.П., Ефимов Л.А. Сварка плавлением меди и сплавов на медной основе. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1988. 215 с.
4. Рябов В.Р. [и др.] Сварка разнородных металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1984. 240 с.
Редичкина Татьяна Викторовна, старший преподаватель, [email protected], Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Юров Владислав Викторович, студент, [email protected], Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Неверов Виктор Валентинович, канд. техн. наук, доцент, viktor-neverov@mail. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
POROSITY DURING WELDING OF COPPER WITH STEEL AND WAYS TO PREVENT IT T.V. Redichkina, V. V. Yurov, V. V. Neverov
The features of welded joints of dissimilar copper-steel materials used in the manufacture of bimetallic blastfurnace tuyeres are considered. Defects of welded joints in the form ofpores and ways to find the causes of their occurrence are described. The results of studies of the microstructure of the welded joint and the chemical composition of the pores are presented. The causes of pores and ways to eliminate them have been identified.
Key words: copper-steel welded joint, pores, blast furnace tuyere.
Redichkina Tatyana Viktorovna, senior lecturer, [email protected], Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical
University,
Yurov Vladislav Viktorovich, student, vladyuroff@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Neverov Victor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, viktor-neverov@mail. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
