РАЗРАБОТКА АГЛОМЕРИРОВАННЫХ ФЛЮСОВ ИЗ ФЛЮСОВОЙ ПЫЛИ

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе были предприняты попытки разработать сварочные агломерированные флюсы путем использования отработанной флюсовой пыли для снижения загрязнения окружающей среды. Исследование показало, что химический состав и механические свойства всего сварного металла, полученного из разработанных флюсов и их исходных аналогов схожие. Разработанные флюсы, из отработанной флюсовой пыли, могут быть использованы без ухудшения механических свойств и качества сварного соединения.

ABSTRACT

In this paper, attempts were made to develop welding agglomerated fluxes by using waste flux dust to reduce environmental pollution. The study showed that the chemical composition and mechanical properties of the whole weld metal obtained from the developed fluxes and the original fluxes are similar. The developed fluxes, from waste flux dust, can be used without deteriorating the mechanical properties and quality of the welded joint.

Ключевые слова: Агломерированные флюсы, дуговая сварка под флюсом, прочностные свойства, ударная вязкость.

Keywords: Agglomerated fluxes, submerged arc welding, strength properties, impact toughness.

Введение. Процесс сварки под флюсом характеризуется более высокой скоростью плавления металла, глубоким проплавлением и высокоскоростной сваркой тонколистовой стали со скоростью более 2,5 м/мин и минимальным выделением газов и ультрафиолетовым излучением. Расплавленный шов и зона дуги защищены от окружающей среды под слоем флюса. Такое расположение способствует равномерной скорости охлаждения, что, в свою очередь, улучшает как механические свойства, так и металлургические характеристики сварного шва [1].

Сварочный флюс играет важную роль в определении качества металла сварного шва. Флюсы для сварки представляют собой гранулированные, минеральные соединения, которые покрывают дугу и обеспечивают защиту, очистку и формирование сварного шва. Флюс является основным сварочным материалом при сварке под флюсом. Вышеописанное значительно влияет на механические свойства металла сварного шва. Известно, что агломерированные флюсы дают наплавленный металл с лучшей пластичностью и ударной вязкостью по сравнению с плавлеными флюсами. Эти флюсы по своей природе гигроскопичны, поэтому для обеспечения хорошей целостности металла сварного шва необходима их прокалка. В работе [4] были проведены определения количества смеси шлака и флюса, которые можно использовать без ущерба качества сварного шва по сравнению с обычным процессом сварки под флюсом (SAW), в котором используется только свежий флюс. Также были исследованы влияния параметров процесса сварки под флюсом на микроструктуру, твердость и вязкость сварных соединений высокопрочной низколегированной стали (HSLA). Процесс изучения практических источников по разработке флюса с использованием флюсовой пыли встречается довольно редко. Настоящее исследование было проведено с целью обретения возможности разработки агломерированного флюса путем использования отработанной флюсовой пыли исходных флюсов.

Материалы и методы исследования. В данной научной работе представлены разработки двух агломерированных флюсов с использованием флюсовой пыли с добавлением силиката калия (K₂SiO₃) в качестве связующего компонента и алюминиевого порошка в качестве раскислителя. Раствор связующего силиката калия добавляли к сухой шихте, проводили влажное перемешивание в течение 10 минут, а затем пропускали через сито (№ 10) для гранулирования массы. Гранулы флюса сушились на воздухе в течение 24 часов, а затем прокаливались в муфельной печи при температуре 650–700°C в течение 3 часов. После охлаждения измельчались, а затем просеивались. После просеивания флюсы хранились в герметичных пакетах и ​​снова прокаливались при 300°C перед сваркой.

Четыре стыковых сварных шва были выполнены на высокопрочной стали в качестве основного металла. Для сварки образцов с размером 275 x 125 x 25 мм использовался источник питания для сварки под флюсом постоянного тока с электродной проволокой диаметром 4 мм (по AWS-5.17-80 EH-14). Процесс сварки выполнялся на постоянном токе обратной полярности (DC EP), со сварочным током 550 А, напряжением дуги 38 В, скоростью сварки 28 см/мин, вылет электрода 30 мм. Химический состав стальной пластины и электродной проволоки показан в таблице 1.

Таблица 1. 

Химический  состав  базовой  пластины  и  электродной  проволоки

Четыре слоя высоких сварных накладок были изготовлены для основного разработанного агломерированного флюса и исходного флюса согласно стандарту AWS A5.23-90 с теми же условиями сварки. Химический состав всего сварного металла оценивался с помощью спектрометра. Сварное соединение было подвергнуто радиографическому исследованию для подтверждения целостности сварного шва перед механическими испытаниями. Испытания на растяжение были проведены на универсальной испытательной машине (по FIE-India) на трех испытательных образцах для каждого типа разработанного и исходного флюсов. Сканирующая электронная микроскопия образцов для испытания на растяжение проводилась на микроскопе с увеличением 1500 раза (по JOEL Japan, JSM-6100). Испытание на ударную вязкость по Шарпи V было проведено для оценки вязкости сварных соединений при 0°C. Испытания на удар по Шарпи проводились на образцах с надрезом, полученных из сварных и основных металлов. Пять стандартных образцов для ударного испытания всего сварного металла были вырезаны из каждого сварного соединения пластин. Затем эти образцы были тонко отполированы плоскошлифовальным станком. Результаты испытаний на удар по Шарпи, полученные от металла сварного шва, показали довольно хорошую повторяемость. Та же процедура была применена к разработанным, а также к исходным флюсам для исследования совместимости разработанных флюсов с исходными флюсами.

Результаты и обсуждения

Внешний вид поверхности валика разработанных флюсов был без визуальных дефектов. Шлак легко отделялся от сварного соединения для всех разработанных флюсов.

Наплавленный металл разработанных и исходных флюсов схожи по химическому составу (таблица 2). Однако содержание марганца в сварном шве, выполненном с использованием разработанных флюсов, несколько ниже, чем в наплавленном металле с использованием исходных флюсов. Содержание кремния в металле шва, наложенном с использованием обоих разработанных флюсов, выше, чем в металле шва, наложенном с использованием исходных флюсов. Углеродный эквивалент рассчитывался по следующей формуле [5]:

C, Mn, Si, Ni, Mo и V представляют собой содержание металлов, выраженное в процентах.

Дополнительное связующее вещество из силиката калия, которое добавлялось для агломерации пыли флюса, содержит диоксид кремния. Диоксид кремния распадается на кислород и кремний из-за нагрева во время сварки. Это приводит к дополнительному содержанию кислорода и кремния в сварочной ванне. Дополнительное количество кислорода приводит к окислению марганца и, следовательно, к меньшему содержанию марганца в металле шва, наложенном с использованием разработанных флюсов, по сравнению с металлом шва, наложенным с использованием исходных флюсов. Дополнительное количество кремния приводит к увеличению его содержания и отсюда более высокий показатель кремния в металле шва, наложенном с использованием разработанных флюсов, по сравнению с металлом шва, наложенным с использованием исходных флюсов. Рентгенограммы сварного соединения, выполненного с использованием разработанных флюсов, были признаны приемлемыми в соответствии с 9.252 радиографического стандарта динамической нагрузки AWS D. 1.15-88.

Таблица  2. 

Химический  состав  всего  наплавленного  металла

Средние значения свойств при растяжении, предела текучести, предела прочности, относительного удлинения, ударной вязкости разработанных флюсов, а также исходных флюсов показаны в таблице 3. Сообщается, что предел прочности при растяжении и ударная вязкость всего наплавленного металла, полученного с использованием разработанных и исходных флюсов, находятся в одном диапазоне. Однако предел прочности при растяжении и ударная вязкость всех сварных швов, выполненных с использованием исходных флюсов, немного выше, чем предел прочности при растяжении и ударная вязкость всех сварных швов, выполненных с использованием разработанных флюсов, кроме флюса № 1. Это объясняется немного более высоким углеродным эквивалентом всего наплавленного металла, выполненного с использованием исходных флюсов, чем углеродный эквивалент всего наплавленного металла, выполненного с использованием разработанных флюсов.

Состав металла сварного шва и механические свойства, а именно прочность на разрыв и ударная вязкость, разработанных флюсов также были признаны удовлетворительными и сопоставимыми с исходными флюсами, имеющимися на рынке. Самая высокая и самая низкая прочность на разрыв были получены для металла сварного шва с самым высоким и самым низким эквивалентным углеродом соответственно. Углеродный эквивалент для разработанного флюса больше, чем у основного флюса, что приводит к более высокому значению прочности на разрыв этих флюсов.

Таблица 3.

Механические свойства всех наплавленных металлов

Более высокое значение ударной вязкости основного флюса можно объяснить более низким содержанием кислорода из-за более высокой термической стабильности основных оксидов. Сканирующие электронные микрофотографии разрушенных образцов для испытаний на растяжение сварного шва были сделаны при одинаковом подводе тепла с использованием кислотных и основных флюсов. Все микрофотографии разработанных, а также коммерческих флюсов показали пластичный режим разрушения.

Разработанные агломерирванные флюсы обеспечивают получение равнопрочных сварных швов и основного металла, тогда как при использовании плавленных флюсов марок АН-348А, ОСЦ-45, АН-60 такой возможности не было. 

Заключение

Таким образом, полученные результаты по исследованию механических свойств сварных соединений малоуглеродистой стали при сварке под флюсом с использованием как разработанных, так и имеющихся исходных флюсов показали, что швы у образцов сваренные с использованием разработанных флюсов был без каких-либо визуальных дефектов, шлак легко отделялся и был сопоставим с исходными флюсами. Химический состав наплавленного металла и основного металла имеют одинаковый состав. Механические свойства наплавленного металла, наложенного с использованием разработанных флюсов и основных флюсов, практически одинаковы. Ударная вязкость наплавленных металлов, полученных с использованием основных флюсов, выше, чем у наплавленных металлов, где использованы кислые флюсы. Флюсовую пыль можно использовать после переработки в агломерированный флюс. Дальнейшие возможности исследования могут быть изучены для использования других отходов, таких как шлак и шлакова корка, для снижения расходов производства.

Список литературы:

1. Brien R.L. Welding Handbook. – American Welding society, Miami, U.S.A. – Vol.2. – 8-th ed. – 1969. – Pp. 151–170.
2. Datta S. Bandhopadhayaay, Pal P.K. Modeling and optimization of features of bead geometry including percentage dilution in submerged arc welding using mixture of fresh and fused flux // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – Vol.36. – № 11. – 2008. – Pp. 1080–1090.
3. Dunyashin N.S., Khudoyorov S.S., Zairkulov E.Y., Valuev D.V., Karlina Antonina Igorevna. Study of the Effect of K₂O, Na₂O, MgO, Al₂O₃ Oxide Additions on Density, Viscosity, Separability and Covering Capacity of CaO–MnO–SiO₂ System Slag in Low Carbon Steel Automatic Submerged Arc Welding // Metallurgist, 2023.
4. Nippes E.S. Welding, Brazing and soldering // Materials Handbook. Metal Park.  –  Ohio: American society for metals. –  Vol. 6.  –   9-th ed. – 1993. – Pp. 23–31.
5. Parshad K., Dwivedi D.K. Some investigations on microstructure and mechanical properties of submerged arc welded HSLA steel joints // International Journal of advanced Manufacturing Technology. –  Vol. 36. –  № 5. – 2008. – Pp. 475–483.