На правах рукописи

УДК 621.791.

Пичужкин Сергей Александрович РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ БРОНЗ СО СТАЛЯМИ Специальность: 05.03.06 ЦТехнологии и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2009 2

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов Прометей (ФГУП ЦНИИ КМ Прометей).

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Вайнерман Абрам Ефимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Туричин Глеб Андреевич кандидат технических наук, профессор Белов Юрий Михайлович Ведущее предприятие - ОАО Адмиралтейские верфи

Защита состоится л 21 мая 2009 г. в 11-00 на заседании диссертационного совета Д411.006.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов Прометей (ФГУП ЦНИИ КМ Прометей) по адресу: 191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д.49.

С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке ФГУП ЦНИИ КМ Прометей Автореферат разослан л27 марта 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д411.006.01 Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор В. А. Малышевский 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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 конденсаторов; соединения 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 воздухоохладителей; соединения деталей из медных сплавов и стали в судовой арматуре; соединения стальных ребер жесткости с фланцами из медных сплавов на крышках охладителей в теплообменных аппаратах; соединения облицовочных полос или втулок из алюминиевых бронз со стальными деталями в узлах трения; соединения полос из алюминиевых бронз со стальным полотном дверей; соединения направляющих из алюминиевых бронз со сталью; соединения медной стенки кристаллизатора со стальной рубашкой;

соединения массивной медной головки со стальными трубами фурм кислородного дутья; соединения углеродистых сталей с медью при изготовлении мартеновских фурм; соединения 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 с углеродистыми и низколегированными 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 сложнолегированных 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, медноникелевого сплава МНЖ5-1 и бронзы БрАМц9-2 с углеродистыми сталями.

Применяемая технология сварки и сварочные проволоки из сплавов марок МНЖКТ51-0,2-0,2, БрАМц9-2, SG CuAl8 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.

Цель работы. 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.

Методы исследования. Для успешного решения поставленных задач проведен следующий комплекс исследований:

-металлографические исследования структуры сварных соединений при различной степени расплавления стали;

-исследования химического состава металла шва и отдельных структур в нем методом рентгеноспектрального микроанализа;

-исследования фазового состава в различных участках сварного соединения и определение параметров кристаллической решетки образующихся фаз;

-испытания на растяжение и ударную вязкость образцов, полученных при различной степени расплавлении стали;

-фрактографические исследования поверхности разрушения ударных образцов, полученных при различной степени расплавления стали;

-исследование техники и технологии сварки алюминиевых бронз со сталями и их влияния на степень расплавления стали.

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

-установлена закономерность изменения состава - и - фаз, количества выделений - фазы и толщины кристаллизационной прослойки в зависимости от степени расплавления стали. С повышением степени расплавления стали увеличивается количество выделений хрупкой - фазы 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 - фазы в образующуюся - фазу 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 низколе гированными 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 неплавящимся 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 - фазы 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 фазу. Выделения -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 - фазу. Изза высокой скорости охлаждения сварочной ванны избыточные железо в - фазе и медь в -фазе преимущественно сохраняются в них в виде пересыщенных твердых растворов на основе соответственно меди и -железа.

Практическая значимость работы. 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 - фазы (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 - фазы 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 CuAl8Fe c корпусом и фланцами из стали St 37-2 применительно к изготовлению конденсатора и выпущена согласованная с ОАО ЛМЗ технологическая инструкция Сварка трубных досок из алюминиевой бронзы марки CuAl8Fe с корпусом и с фланцами конденсатора из стали St 37-2 №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.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались: на ежегодной конференции молодых ученых и специалистов (г. СанктПетербург, 2003, 2005, 2006, 2007г.г.); на семинаре Петровские чтения в рамках научно-технической конференции л160 лет Котлонадзора России (г. Санкт-Петербург, 2003г.); на Х всероссийском научно-практическом семинаре Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования (г. Санкт-Петербург, 2004г.);

на втором научно-практическом семинаре предприятий стран СНГ Дуговая сварка.

Материалы и качество (г. Магнитогорск, 2005г.); на семинаре Технология дуговой сварки и наплавки при решении задач современной промышленности (г. СанктПетербург, 2006г.); на научно-практической конференции Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике (г. Санкт-Петербург, 2007г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научно- технических 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, общих выводов, библиографического списка из наименований, двух приложений. Общий объем составляет 153 страницы, включая 29 рисунков и 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и сформулированы основные задачи работы, показаны научная новизна, практическая значимость и апробация работы.

Глава 1. Некоторые характеристики медных сплавов и сталей и их взаимодействия между собой. Анализ результатов работ по разработке технологии сварки плавлением медных сплавов со сталями Литературный анализ показал, что вопросы сварки меди и ее сплавов, особенно алюминиевых бронз, с углеродистыми и низколегированными сталями исследованы недостаточно, а некоторые вопросы вообще не рассматривались.

В работах практически не исследовались: вопросы формирования металла шва при сварке сталей и медных сплавов с учетом характерных для них особенностей:

существенных различий в температурах плавления сталей и медных сплавов и ограниченной растворимости железа в меди и ее сплавах и меди в железе (в сталях); фазовый состав металла шва и параметры кристаллических решеток образующихся фаз;

химический состав структур, образующихся в металле шва при сварке; взаимодействие образующихся при сварке структур между собой; влияние степени расплавления стали на состав и структуру металла шва и отдельных структурных составляющих в нем; влияние состава и структуры металла шва и отдельных составляющих в нем на временное сопротивление и ударную вязкость сварных соединений.