Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой
Исследованы металлургические способы снижения содержания серы в металле шва при сварке порошковой проволокой. Рассмотрена возможность снижения содержания серы в металле за счет использования магний- и кальцийсодержащих лигатур. Показана перспективность повышения механических свойств сварных соединен...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/39086 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой / В.Н. Шлепаков, С.М. Наумейко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 2(670). — С. 22-25. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-39086 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-390862012-12-05T12:08:21Z Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой Шлепаков, В.Н. Наумейко, С.М. Научно-технический раздел Исследованы металлургические способы снижения содержания серы в металле шва при сварке порошковой проволокой. Рассмотрена возможность снижения содержания серы в металле за счет использования магний- и кальцийсодержащих лигатур. Показана перспективность повышения механических свойств сварных соединений путем снижения содержания серы в наплавленном металле. Metallurgical methods of lowering the content of sulphur in the weld metal in flux-cored wire welding were studied. The possibility of lowering the content of sulphur in the metal by using magnesium- and calcium-containing master alloys is shown. The prospects for improvement of mechanical properties of welded joints by lowering sulphur content in the deposited metal is considered. 2009 Article Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой / В.Н. Шлепаков, С.М. Наумейко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 2(670). — С. 22-25. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/39086 621.791(094).763.3.01 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Шлепаков, В.Н. Наумейко, С.М. Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой Автоматическая сварка |
| description |
Исследованы металлургические способы снижения содержания серы в металле шва при сварке порошковой проволокой. Рассмотрена возможность снижения содержания серы в металле за счет использования магний- и кальцийсодержащих лигатур. Показана перспективность повышения механических свойств сварных соединений путем снижения содержания серы в наплавленном металле. |
| format |
Article |
| author |
Шлепаков, В.Н. Наумейко, С.М. |
| author_facet |
Шлепаков, В.Н. Наумейко, С.М. |
| author_sort |
Шлепаков, В.Н. |
| title |
Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой |
| title_short |
Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой |
| title_full |
Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой |
| title_fullStr |
Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой |
| title_full_unstemmed |
Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой |
| title_sort |
особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/39086 |
| citation_txt |
Особенности десульфурации металла шва при сварке порошковой проволокой / В.Н. Шлепаков, С.М. Наумейко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 2(670). — С. 22-25. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT šlepakovvn osobennostidesulʹfuraciimetallašvaprisvarkeporoškovojprovolokoj AT naumejkosm osobennostidesulʹfuraciimetallašvaprisvarkeporoškovojprovolokoj |
| first_indexed |
2025-07-03T21:00:00Z |
| last_indexed |
2025-07-03T21:00:00Z |
| _version_ |
1836660976597860352 |
| fulltext |
УДК 621.791(094).763.3.01
ОСОБЕННОСТИ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ МЕТАЛЛА ШВА
ПРИ СВАРКЕ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ
В. Н. ШЛЕПАКОВ, д-р техн. наук, С. М. НАУМЕЙКО, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследованы металлургические способы снижения содержания серы в металле шва при сварке порошковой про-
волокой. Рассмотрена возможность снижения содержания серы в металле за счет использования магний- и кальцийсо-
держащих лигатур. Показана перспективность повышения механических свойств сварных соединений путем снижения
содержания серы в наплавленном металле.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, порошковая проволо-
ка, низколегированный металл шва, десульфурация, стадия
сварочной ванны, стадия капли, термодинамика реакций де-
сульфурации, кальций- и магнийсодержащие лигатуры, ме-
ханические свойства, структура металла шва
В области черной металлургии за счет обработки
десульфуризующими флюсами расплавов удается
существенно снизить содержание серы в стали
[1, 2], вследствие чего повышается ее пластич-
ность, сопротивление вязким и хрупким разру-
шениям. При электродуговой сварке плавлением
содержание серы в металле шва сварного соеди-
нения регламентируется исходя из необходимости
предотвращения образования дефектов (горячих
трещин) и обеспечения требуемых механических
свойств сварных соединений [3–5].
Снижение содержания серы в наплавленном
металле можно достичь путем использования
взаимодействия металла со шлаком и газовой фа-
зой, а также применения исходных материалов
с низким содержанием серы.
Целью настоящей работы было исследование
особенностей десульфурации наплавленного ме-
талла путем регулирования состава металличес-
кой фазы через сердечник порошковой проволоки.
При сварке некоторых марок стали для обес-
печения требуемых физико-механических и слу-
жебных свойств сварных соединений в состав по-
рошковых проволок вводили силикокальций, од-
нако при этом уровень содержания серы снижался
незначительно. Заметим, что при сварке низко-
кремнистых сталей силикокальций неприменим.
Из-за высокого содержания кремния в металле
шва актуальным является использование других
десульфураторов на основе кальция и магния.
Один из вариантов может быть применение алю-
мокальциевых и алюмомагниевых лигатур в про-
волоках основного типа. Согласно работе [2], при
внепечной обработке стали порошковой прово-
локой с наполнением гранулированными алюми-
нием и кальцием усвоение последнего составляет
29 %, а при обработке силикокальциевой прово-
локой — 11 %. Однако, как известно, внепечная
обработка стали характеризуется длительным вре-
менем существования расплава.
Процесс дуговой сварки плавлением отлича-
ется малым временем существования расплава,
при этом способе сварки десульфурация проте-
кает как на стадии сварочной ванны, так и на
стадии капли. Для стадии капли по сравнению
со стадией ванны характерны более высокая тем-
пература (свыше 2500 К), а также наличие зна-
чительной удельной межфазной поверхности. Та-
кие особенности стадии капли обеспечивают воз-
можность эффективно влиять на процесс десуль-
фурации за счет взаимодействия серы, растворен-
ной в капле, с газовой фазой, образующейся при
плавлении компонентов сердечника порошковой
проволоки.
С точки зрения термодинамики, при дуговой
сварке стали наиболее вероятны реакции, проте-
кающие по следующим схемам:
[Fe] + [S] ↔ [FeS]; (1)
[Mn] + [S] ↔ [MnS]; (2)
[S] + O2 ↔ SO2 газ; (3)
[S] + 6F ↔ SF6; (4)
[Ca] + [S] ↔ [CaS]; (5)
[Mg] + [S] ↔ [MgS]. (6)
Расчеты энергии Гиббса ΔGT
0 при температуре
T = 1800…2500 К с помощью энтропийного ме-
тода проводили по следующим формулам:
ΔHT
0 = ΔH298
0 + ∑ [ni(HT
0 – H298
0 )i]; (7)
ΔST
0 = ΔS298
0 + ∑ [ni(ST
0 – S298
0 )i]; (8)
ΔGT
0 = ΔHT
0 – TΔST
0, (9)© В. Н. Шлепаков, С. М. Наумейко, 2009
22 2/2009
где ΔH298
0 — стандартная энтропия, кДж/моль;
ΔS298
0 — стандартная энтальпия, Дж/моль;
ni(HT
0 – H298
0 ) — высокотемпературная составляю-
щая энтропии i-го компонента, кДж/моль;
ni(ST
0 – S298
0 ) — высокотемпературная составляю-
щая энтальпии i-го компонента, кДж/моль.
Термодинамические данные, необходимые для
расчета ΔGT
0, взяты из работ [6–8]. Изменение
энергии Гиббса в зависимости от температуры для
реакций (1)–(6) показано на рис. 1.
Константы равновесия Kр рассчитывали по
формуле
Kp = e–ΔG
T
0 ⁄ RT,
(10)
где R — универсальная газовая постоянная,
Дж/кмоль.
Значения констант равновесия Kр для реакций
(1)–(6) при температурах 2000 и 2500 К, харак-
терных для стадий сварочной ванны и капли, при-
ведены в табл. 1.
Из изменений энергии Гиббса и констант рав-
новесия реакций на стадии капли (T ≥ 2500 К)
видно, что наилучшим десульфуратором является
кальций, способный активно удалять серу в га-
зовую фазу и фтор. Поскольку значение констан-
ты равновесия образования сульфида кальция при
T = 2500 К намного выше, чем оксида, фторида
серы и сульфида магния, определяющую роль в
процессе десульфурации играет взаимодействие
кальция и серы на стадии капли, а при кристал-
лизации металла получает развитие реакция свя-
зывания серы в сульфиды марганца.
Для подтверждения результатов расчетов была
проведена экспериментальная проверка. В качес-
тве объекта исследования выбрана порошковая
проволока фторидно-оксидного типа. Сварку вы-
полняли на воздухе трубчатой конструкции ди-
аметром 1,6 мм с использованием опытных про-
волок на постоянном токе прямой полярности:
Iсв = 250…260 А, Uд = 21…22 В, вылет электрода
20 мм. Сварку осуществляли с использованием
полуавтомата ПДГО-510 (производство фирмы
«СЭЛМА»), имеющего бесступенчатую регули-
ровку скорости подачи проволоки, и источника
питания дуги ВС-600 со ступенчатой регулиров-
кой напряжения холостого хода. Пробы для хи-
мического анализа выполняли в шесть слоев с
подформовкой боковых поверхностей валика мед-
ными пластинами. Химический состав наплавлен-
ного металла определяли с помощью спектраль-
ного и химического анализов. Исследовали вли-
яние содержания серы на структуру и механи-
ческие свойства металла многослойных швов, вы-
полненных в нижнем положении. Основным ме-
таллом контрольных стыковых соединений была
сталь Ст3сп толщиной 20 мм. Уровень легиро-
вания наплавленного металла C–Si–Mn–Ni, полу-
ченного с использованием проволок всех типов,
не изменяли. Сварку стыков для проведения ме-
ханических испытаний проводили по ГОСТ
26271–91. Металлографический анализ структуры
металла шва проводили после травления в 4%-м
растворе HNO3 в спирте на микроскопе «Neop-
hot-302» и сканирующем электронном микроско-
пе JSM-840. Объемную долю неметаллических
включений определяли с помощью количествен-
ного анализатора «Omnimet».
Данные о способах введения кальций- и маг-
нийсодержащих лигатур в сердечник проволоки,
а также о содержании серы в наплавленном ме-
талле приведены ниже.
Десульфураторы (форма введения), мас. % S, мас. %
0 ...............................................................................0,020
2,0 Mg .....................................................................0,009
1,75 Mg (1,0 Mg; 1,5 AlMg) ..................................0,008
1,25 Mg (3,5 AlMg) ................................................0,005
1,4 Cа (3,5 AlCa) ....................................................0,002
0,8 Cа; 0,75 Mg (1,5 AlMg; 2,0 AlCa) ...................0,003
Влияние содержания серы в наплавленном ме-
талле на структуру показано на рис. 2, а меха-
нические свойства металла швов — в табл. 2.
Объемная доля неметаллических включений
при содержании серы 0,003 мас. % в наплавлен-
ном металле составляет 0,3 %, а при S =
= 0,02 мас. % — 0,85 %. В то же время из рис. 3
видно, что при низком (0,003 мас. %) содержании
Т а б л и ц а 1. Константы равновесия
Реакция 2000 К 2500 К
[Fe] + [S] ↔ [FeS] 4,125⋅10–2 —
[Mn] + [S] ↔ [MnS] 4,278⋅10–3 —
[Ca] + [S] ↔ [CaS] 2,127⋅10–4 1,211⋅10–2
[S] + O2 ↔ SO2 газ 4,310⋅10–4 6,817⋅10–3
[S] + 6F ↔ SF6 2,910⋅10–4 1,380⋅10–4
[Mg] + [S] ↔ [MgS] 1,181⋅10–5 1,387⋅10–6
Рис. 1. Изменение энергии Гиббса ΔG при образовании окси-
да, фторида серы и сульфидов в зависимости от температуры
2/2009 23
серы в наплавленном металле объемная доля
дисперсных неметаллических включений выше,
чем при S = 0,020 мас. %.
Таким образом, самым активным десульфура-
тором являются лигатуры на основе кальция. Это
объясняется тем, что кальций связывает серу в
сульфид кальция CaS, который не растворяется
в железе. Ассимилируясь с нейтральным шлаком,
он снижает содержание сульфида железа в сва-
рочной ванне, а также объем и размеры неме-
таллических включений в металле шва, что
оказывает положительное влияние на механичес-
кие свойства сварных соединений.
Рис. 2. Микроструктура наплавленного металла шва с содержанием серы 0,003 (а, б) и 0,020 мас. % (в, г): а, в, 100; б, г,
1000
Т а б л и ц а 2. Влияние содержания серы в наплавленном металле на механические свойства металла шва
S, мас. % σв, МПа σт, МПа δ, %
KCV (Дж/см2) при температуре
+20 оС –20 оС –40 оС –60 оС
0,003 635 525 23,3 140,0 68,1 57,5 52,5
0,008 590 480 22,1 90,0 65,5 45,1 —
0,020 500 400 21,0 85,2 42,8 35,2 —
Рис. 3. Распределение неметаллических включений по размерам в наплавленном металле с содержанием серы 0,003 (а) и
0,020 мас. % (б): C — содержание неметаллических включений
24 2/2009
Выводы
1. При сварке порошковой проволокой сущест-
венную роль в десульфурации металла играют
процессы, протекающие на стадии капли, в ре-
зультате которых образуются летучие фториды и
оксиды серы, а также нерастворимые в железе
сульфиды. Эффективность десульфурации метал-
ла шва на стадии капли выше в случае применения
кальцийсодержащих лигатур.
2. На стадии сварочной ванны с серой активно
взаимодействуют фтор и марганец.
3. Введение активных десульфураторов на ос-
нове лигатур типа алюмокальция в состав сер-
дечника порошковой проволоки приводит к
повышению пластичности, снижению содержания
и размеров неметаллических включений и повы-
шению вязкопластических свойств металла шва.
1. Вихлевщук В. А., Харахулах В. С., Бродский С. С. Ковше-
вая доводка стали. — Днепропетровск: Системные тех-
нологии, 2000. — 190 с.
2. Внепечная обработка жидкой стали порошковой алюмо-
кальциевой проволокой / В. П. Онищук, В. В. Кирилен-
ко, Д. А. Дюдкин и др. // Металл и литье Украины. —
2000. — № 1/2. — С. 20–23.
3. Підгаєцький В. В. Пори, включення і тріщини в зварних
швах. — К.: Техніка, 1970. — 236 с.
4. Походня И. К., Гаврилюк Ю. А., Орлов Л. Н. Десульфура-
ция металла при сварке порошковой проволокой / // Ав-
томат. сварка. — 1989. — № 11. — С. 47–50.
5. Походня И. К., Суптель А. М., Шлепаков В. Н. Сварка
порошковой проволокой. — Киев: Наук. думка, 1972. —
210 с.
6. Киреев В. А. Методы практических расчетов в термоди-
намике химических реакций. — М.: Химия, 1975. —
536 с.
7. Владимиров Л. П. Термодинамические расчеты равнове-
сия металлургических реакций. — М.: Металлургия,
1970. — 528 с.
8. Термодинамические свойства индивидуальных веществ:
Справ. изд. / Под ред. В. П. Глушко. — В 4 т. — Т. 3:
Элементы B, Al, Ca, Th, Ti, Be, Ba и их соединения. —
Кн. 2: Таблицы термодинамических свойств. — М.: Нау-
ка, 1981. — 400 с.
Metallurgical methods of lowering the content of sulphur in the weld metal in flux-cored wire welding were studied.
The possibility of lowering the content of sulphur in the metal by using magnesium- and calcium-containing master
alloys is shown. The prospects for improvement of mechanical properties of welded joints by lowering sulphur content
in the deposited metal is considered.
Поступила в редакцию 19.09.2008
ВНИМАНИЮ СПЕЦИАЛИСТОВ!
Неразрушающий контроль и техническая диагностика
в промышленности — 2009
8-я Международная специализированная выставка
и конференция приборов и оборудования
для неразрушающего контроля и технической
диагностики в промышленности
18–20.03. 2009 г. Москва СК «Олимпийский»
Организатор выставки: ООО «Примэкспо»
Основные тематические разделы:
Акустический контроль Ультразвуковой контроль Вихретоковый контроль
Визуальный и оптический контроль Лазерные технологии НК
Магнитопорошковый контроль Электромагнитный контроль
Инфракрасный и термический контроль Вибрационный контроль
Капиллярный контроль Течеискание Радиографический контроль
Электрический контроль Радиационный контроль Контроль трубопроводов
Обучение и сертификация персонала Аттестация лабораторий
Экспертиза и диагностика опасных производственных объектов
Контроль напряженно-деформированного состояния для оценки остаточного ресурса
Дополнительную информацию можно получить
по E-mail: ndt@primexpo.ru, www.primexpo.ru/ndt
2/2009 25
|