Тенденции мирового потребления сварочных материалов требуют разработки нового высокопроизводительного оборудования и технологий выпуска продукции, систем аналитического сопровождения и управления качеством. При этом значение ручной дуговой сварки будет и дальше сокращаться – в пользу механизированной сварки проволоками.

Двадцатый век стал временем становления и развития сварки. Разработано много новых сварочных процессов – от сварки угольным и металлическим электродом до электронно-лучевой, лазерной, гибридной лазерно-дуговой сварки. Тем не менее, среди многочисленных способов сварки плавлением до сих пор преобладает дуговая сварка.

Очень широк и диапазон свариваемых материалов – низкоуглеродистые и легированные стали, сплавы на основе титана, алюминия, молибдена, вольфрама, интерметаллиды и керамические материалы. Специалисты всего мира с полным основанием утверждают, что сталь как конструкционный материал будет доминировать еще, по крайней мере, в I четверти XXI века.

При этом глобальное потребление стали в последние годы неуклонно росло, особенно в странах Азии и прежде всего в Китае. В то же время в СНГ потребление стали из-за развала машиностроения и строительства по сравнению с 1990г. уменьшилось в несколько раз, что вызвало и сокращение выпуска сварочных материалов. Резче всего снизилось производство материалов для механизированной сварки. Большинство крупных специализированных предприятий вынуждено работать с хронической недогрузкой мощностей. Притом постоянно дорожают сырье и энергоносители. Выпускаются устаревшие марки материалов, отсутствует необходимый маркетинг продукции. В таких условиях многие профильные производства приходят в упадок, в то же время растет число мелких операторов, выпускающих дешевые и зачастую некачественные сварочные материалы.

Вместе с тем заполнение рынка мелкими поставщиками представляется временным явлением – при современных высоких запросах потребителей конкурентоспособный продукт способны предложить только крупные узкоспециализированные предприятия, развивающиеся в тесном сотрудничестве с научными организациями. И, конечно же, данные изготовители должны успевать за мировыми тенденциями.

А эти тенденции выражаются сегодня в расширении использования промышленно развитыми странами механизированной сварки в защитных газах сплошной и порошковой проволоками – при сокращении доли ручной дуговой сварки. Например, в странах с развитым судостроением (Япония, Южная Корея) увеличивается применение порошковых проволок. В странах Евросоюза из механизированных способов доминирует сварка в смесях газов на основе аргона и углекислого газа проволокой сплошного сечения. Высокая же доля использования покрытых электродов характерна для развивающихся стран с дешевой рабочей силой.

Выполнение современных запросов потребителей к сварным конструкциям возможно прежде всего за счет применения ВПНЛ-сталей, которые, собственно, и опережают сегодня по темпам развития остальные классы продукции мировой металлургии

В настоящее время к сварным конструкциям предъявляются следующие требования: снижение массы и энергоемкости при производстве, повышение надежности и долговечности, уменьшение энергоемкости сварочных работ. Указанные задачи можно решить путем применения высокопрочных низколегированных (ВПНЛ) сталей.

Разработка ВПНЛ-сталей и технологий их сварки многие годы велась еще в СССР. В частности, ЦНИИ конструкционных материалов “Прометей” в сотрудничестве с Институтом электросварки им. Е.О. Патона разработал способы выпуска высокопрочных корпусных сталей типа АБ с пределом текучести до 1000 МПа. Предусмотрено уменьшение содержания углерода и легирующих элементов в подобных сталях до уровня, обеспечивающего сквозную прокаливаемость. После термообработки структура стали представляет собой высокодисперсный сорбит с твердорастворным упрочнением ферритной матрицы, наличие которого обеспечивает высокую прочность, пластичность и хорошую свариваемость.

Благодаря же исследованиям, выполненным в Украине, было достигнуто значительное снижение концентрации водорода, серы и кислорода в металле сварных швов, повышение его механических свойств, улучшение свариваемости, а также снижение температуры подогрева.

Важнейшей проблемой при сварке ВПНЛ-сталей является предупреждение хрупкого разрушения сварных соединений. Это явление вызвано структурными превращениями в сварном шве и зоне термического влияния (ЗТВ), а также охрупчивающим действием растворенных в металле примесей, прежде всего водорода, проявляющимся в возникновении индуцированных водородом трещин и замедленном разрушении сварных соединений. Для предупреждения этого современные технологии сварки сталей указанного типа предполагают использование предварительного и сопутствующего подогрева изделий.

Это энерго- и трудоемкие, а также дорогостоящие операции, выполнение которых требует высокой технологической культуры производства. Однако и они далеко не всегда обеспечивают отсутствие трещин в сварных соединениях. Кроме того, в связи с высокой температурой изделия, вызванной подогревом, резко ухудшаются условия труда сборщиков и сварщиков.

Поэтому изготовление конструкций из ВПНЛ сталей без предварительного подогрева – одна из основных проблем дуговой сварки в настоящее время. Эта проблема является актуальной для всех способов дуговой сварки плавящимся электродом и должна обязательно приниматься во внимание при разработке сварочных материалов.

Элементный состав металла шва обычно выбирается исходя из требований создания равнопрочного сварного соединения. Важнейшая задача – обеспечение высокой хладостойкости металла швов при температурах до -60 °С. Принято несколько систем легирования металла шва: Сг-Ni-Mn-Cu-Mo; Mn-Ni-Ti; Mn-Ni-Mo-Ti. Содержание этих элементов зависит от требуемой прочности и пластичности сварного соединения. Используется микролегирование бором и титаном. Применяется очень чистая по содержанию серы и фосфора сварочная проволока (0,01-0,02%), массовая доля углерода в ней составляет 0,04-0,08%. Содержание легирующих элементов и раскислителей, а также режимы сварки необходимо выбирать так, чтобы обеспечить массовую долю кислорода в металле шва в пределах 0,02-0,04%. Образующиеся в этом случае оксиды титана – например TiО – являются центрами зарождения игл феррита. Структура кольчатого феррита благоприятна для получения металла шва, вязкого при низких температурах.

Для сварки используются высокоосновные агломерированные флюсы и электроды с покрытием основного вида. При сварке ВПНЛ-сталей с массовой долей углерода 0,1-0,2% требуется предварительный подогрев изделий. Появление индуцированных водородом трещин чаще всего наблюдается в ЗТВ. Проблему создания соединений, не подверженных растрескиванию, пытаются решить путем разработки сталей с особо низким (до 0,02 мас. %) содержанием углерода и более высокой степенью легирования. При сварке конструкций из таких сталей индуцированные водородом холодные трещины будут образовываться в металле шва. Решение этой проблемы связано с разработкой надежных методов управления поведением водорода в сварных соединениях.

Благодаря фундаментальным исследованиям явлений обратимой водородной хрупкости, выполненным в ИЭС им. Е.О. Патона, был изучен механизм этого процесса на атомном уровне.

Направления дальнейших исследований можно сформулировать следующим образом:

О развитии сварочных флюсов

Способ сварки под флюсом, созданный в предвоенные годы, опять-таки в Институте электросварки им. Е.О. Патона, получил в Советском Союзе широкое распространение в судостроении, машиностроении, при строительстве мостов, производстве строительных металлоконструкций и др. Высокий уровень научных разработок, прогрессивные металлургические решения, хорошо организованное промышленное производство, низкая стоимость энергоносителей обеспечили массовый выпуск дешевых высококачественных плавленых флюсов. По объемам изготовления плавленых флюсов СССР занимал первое место в мире. Применение сварки под флюсом вызвало революционные преобразования во многих отраслях промышленности и в строительстве.

Сейчас производство сварочных флюсов в развитых странах стабилизировалось. Выпуск материалов для сварки под флюсом составляет 5-10% общего объема сварочных материалов. Металлургические и технологические особенности сварки под флюсом описаны во многих специальных изданиях.

Снижение потребления сталей вызвало, естественно, многократное сокращение изготовления плавленых флюсов и в первую очередь энергоемкого производства флюсов в электропечах.

Работы последних лет были посвящены снижению содержания вредных примесей во флюсах, поиску современных систем “флюс-проволока”, обеспечивающих необходимые механические свойства сварных соединений, снижение содержания водорода во флюсах.

Как говорилось выше, в мире наблюдается рост производства ВПНЛ-сталей. Высокие требования к механическим свойствам сварных соединений очень трудно выполнить, применяя плавленые флюсы. Проведенные исследования показали, например, что при сварке легированной проволокой, полученной вакуумно-индукционной плавкой, под плавленым флюсом ФИМС-20П ВПНЛ-стали типа 12ХН2МДФ, используемой для изготовления ответственных конструкций, работающих на континентальном шельфе, требуемый уровень ударной вязкости обеспечивается лишь при температуре испытаний -20 °С, а под агломерированным флюсом – при -60 °С.

В странах Западной Европы в последние десятилетия плавленые флюсы повсеместно были заменены агломерированными, на долю которых приходится 95% объемов потребления сварочных флюсов. Это объясняется рядом металлургических возможностей агломерированных флюсов: регулированием кремневосстановительного процесса, рафинированием и микролегированием сварочной ванны, высокой прочностью и ударной вязкостью сварных соединений. Применение сварочных флюсов уменьшает энергоемкость производства, способствует уменьшению вредных выбросов токсичных пыли и газов в атмосферу.

В связи с развитием производства современных труб, судостроения, энергетического и химического машиностроения, строительства мостов в нашей стране и РФ, несомненно, будут возрастать объемы применения ВПНЛ-сталей. И уже сейчас необходимо создавать промышленные образцы оборудования и технологии выпуска соответствующих флюсов, сертифицировать готовые разработки, проводить маркетинговую работу, организовывать экспорт.

О задачах и перспективах предложения электродов

Анализируя современное состояние и перспективы развития сварочных материалов в Украине, СНГ и в мировом масштабе, в первую очередь, следует уделить внимание электродам общего назначения.

Сегодня основными сталями, которые используются в промышленности и строительстве в странах СНГ, являются низкоуглеродистые и низколегированные стали. И на долю электродов общего назначения с рутиловым и ильменитовым покрытием приходится около 80% выпускаемых электродов. Следует отметить, что механические свойства сварных соединений, выполненных такими электродами, в основном удовлетворяют требованиям отечественных, европейских и американских стандартов. Совершенствование подобных электродов должно идти в направлении улучшения стабильности горения дуги, формирования швов, отделимости шлаковой корки, предупреждения пор и горячих трещин. Введение легкоионизирующихся элементов в покрытие приводит к повышению концентрации положительных ионов в периферийной области дуги, уменьшению ее контрагирования и снижению работы выхода электронов из катода. В этом случае необходимая плотность электронов тока может быть достигнута при меньшей напряженности электрического поля у катода.

Отделимость шлаковой корки в значительной мере определяется процессами взаимодействия шлака с закристаллизовавшимся металлом сварочной ванны. На границе “металл-шлак” формируется тонкая прослойка, как правило, представляющая собой нестехиометрические оксиды или шпинели. Если значения параметров кристаллической решетки этих соединений близки параметрам решетки металла, то происходит химическое сцепление и эпитаксиальный рост шлаковой фазы, при этом отделимость шлака ухудшается. Регулировать этот процесс можно, изменяя активность кислорода в шлаке. В случае плохого формирования шва, наличия подрезов происходит механическое заклинивание шлака с ухудшением его отделимости.

Вопросы пористости подробно рассмотрены в соответствующей работе (Походня И.К. Газы в сварных швах. – М.: Машиностроение, 1972. – 256 с.). Пористость швов при сварке электродами указанного выше типа вызвана водородом, растворенным в сварочной ванне. Концентрация водорода в сварочной ванне значительно выше равновесной, поэтому предупредить образование пор в этом случае можно путем регулирования межфазного натяжения на границе “металл-газ”. Весьма эффективно повышение окислительного потенциала металла, что позволяет снизить вероятность зарождения пузырьков таза.

Еще одним способом предотвращения образования пор является управление скоростью роста пузырьков водорода за счет снижения содержания кремния в сварочной ванне.

Образование горячих (кристаллизационных) трещин в швах низкоуглеродистых и низколегированных сталей связано, как правило, с повышением содержания углерода и серы в сварочной ванне. Источником серы является основной металл, сварочная проволока и компоненты покрытия. В украинских сталях массового применения допускается более высокое содержание серы, чем в зарубежных (то же можно сказать и о сварочных проволоках). Предупредить образование горячих трещин в сварных швах можно, повысив массовую долю марганца в наплавленном металле до 0,6-0,8%.

Электроды с основным покрытием используются, как известно, для сварки ответственных конструкций из сталей различного типа. Проблемы улучшения сварочно-технологических свойств электродов и механических свойств сварных соединений были рассмотрены выше.

Одним из серьезных дефектов при сварке электродами с основным покрытием является “стартовая” пористость швов. Проведенные исследования показали, что появление такого дефекта связано с абсорбцией азота каплями электродного металла и сварочной ванны. При сварке под основными шлаками, содержащими фтористые соединения, расплавленный металл капли и ванны, плохо защищенный шлаком, непосредственно контактирует с плазмой дугового разряда. В условиях термодинамического равновесия лимитирующим звеном в процессе абсорбции является диссоциация молекул газа у поверхности металла. При абсорбции газов из плазмы дугового разряда степень диссоциации газов определяется температурой плазмы.

Результаты проведенных исследований показали, что теплосодержание капель электродного металла зависит от тока и его полярности. Во многих случаях температура капель превышает температуру максимальной растворимости газов в железе. Поэтому различие температуры капель в 200-300 К при сварке плавящимся электродом при прямой и обратной полярности тока может оказать значительное влияние па абсорбцию газов. Наблюдаемое на практике более высокое содержание газов в металле в случае сварки на переменном токе npи прямой полярности подтверждает это положение.

Абсорбция азота зависит от длины дуги. Уменьшение длины дуги за счет нанесения па торец электропроводных композиций и заострение торца электрода позволяют сократить длину дуги при отрыве электрода в момент зажигания. Уменьшения абсорбции азота можно достичь путем снижения межфазного натяжения на границе “шлак-металл” для улучшения шлаковой защиты расплавленного металла на стадии капли и ванны, повышения температуры капель и достижения мелкокапельного или струйного переноса металла за счет перехода от дугового разряда в газах к парогазовому разряду. Эти же явления наблюдаются при взаимодействии металла с водородом.

Важнейшие вопросы, требующие решения при разработке электродов с основным покрытием, следующие:

Фактор гигиены

Очень важное значение имеют исследования, направленные на улучшение гигиенических характеристик электродов. Главные положения работ, выполненных в Институте электросварки им. Е.О. Патона в сотрудничестве с гигиенистами, токсикологами, химиками, биофизиками, могут быть сформулированы следующим образом:

В поисках порошка

Порошковые проволоки в динамике

Промышленный выпуск порошковых проволок был осуществлен в СССР в 1950-1960-х годах и с тех пор интенсивно развивался. Порошковые проволоки эффективно использовались в ряде отраслей промышленности и строительстве. Уровень разработок был достаточно высок, о чем свидетельствуют полученные многочисленные авторские свидетельства и патенты, а также продажа отечественных лицензий за рубеж и организация производства в ряде стран – США, ФРГ, Франции, Японии, Венгрии, Болгарии и др.

Развал экономики в 1990-е годы привел к падению уровня производства. Сейчас порошковые проволоки выпускаются на устаревших мощностях объединений “Северсталь” в России и “Днепрометиз” в нашей стране. Сохранившееся оборудование эксплуатируется на износ. Изготовляются проволоки, разработанные еще в 1970-1980-х годах. Между тем это прогрессивное направление сварочной техники успешно развивается в таких странах, как США, Франция, ФРГ, Швеция, Голландия, Австрия, Южная Корея, Япония и др. Там созданы новые марки проволок, расширены области их применения, совершенствуется оборудование и технология производства. Например, Lincoln Electric, Hobart, ESAB, SAF-Oerlikon, Thyssen Bohler, Kobelko, Elga и другие компании производят десятки марок порошковых проволок для сварки в углекислом газе и смеси Аг+СО2, а также самозащитные проволоки и проволоки для сварки под флюсом. Эти типы сварочных материалов предназначены для сварки низкоуглеродистых, низколегированных, теплоустойчивых, высокопрочных, жаропрочных, нержавеющих сталей, используемых в судостроении, машиностроении, энергетике, горнодобывающей промышленности, строительстве и других отраслях.

Необходимо отметить, что в указанные годы ряд отечественных и российских организаций также выполнял разработки порошковых проволок. Так, в ИЭС им. Е.О. Патона были созданы порошковые проволоки нового поколения в соответствии с европейским стандартом EN 758 и ГОСТ 26271.

Для сварки углеродистых и низколегированных сталей массового назначения разработаны проволоки марок ПП-АН59, ПП-АН63, 1111-ЛН69, для сварки высокопрочных низколегированных сталей – ПП-ЛН61, ПП-ЛП67. Эти проволоки имеют трубчатую конструкцию и диаметр от 1,2 до 2,0 мм.

Швы, выполненные сваркой с использованием новых проволок, отличаются хорошей формой, малым количеством брызг и аэрозолей. При расплавлении проволоки ПП-АН59 и ПП-АН63 рутилового типа образуют быстротвердеющие короткие шлаки. Они пригодны для сварки во всех пространственных положениях. Для автоматизированной и роботизированной сварки в углекислом газе или смеси Аг+СО2, применяемой в судостроении и машиностроении, разработана проволока ПП-АН70 с металлическим сердечником. Производительность наплавки при использовании этой проволоки на 20% выше проволок сплошного сечения того же диаметра. Эта проволока имеет значительно более высокие сварочно-технологические свойства по сравнению с традиционной проволокой Св-08Г2С.

В ИЭС им. Е.О. Патона также созданы самозащитные порошковые проволоки с фторидно-основным сердечником. Благодаря такой композиции сердечника снижается содержание кремния и алюминия в металле швов и обеспечивается требуемая ударная вязкость сварных соединений при низких температурах.

ЦНИИ конструкционных материалов “Прометей” проводит работу по созданию газозащитных порошковых проволок марок 48-ПП-8Н, 48-ПП-НР, 48-ПП-12Р диаметром 1,2-1,6 мм для сварки низкоуглеродистых ВПНЛ-сталей с пределом текучести от 400 до 620 MПa. В настоящее время технология сварки данными проволоками проходит опытно-промышленную проверку на судостроительных заводах РФ, а также совершенствуется технология производства проволок. В ОАО “НИИмонтаж” созданы самозащитные порошковые проволоки для сварки во всех пространственных положениях, обеспечивающие получение металла шва с пределом текучести до 490 МПа.

Важнейшее значение в дальнейшем развитии порошковых проволок имеет, прежде всего, создание современного высокопроизводительного оборудования и технологии выпуска порошковых проволок малого диаметра. В последние годы пропагандируется способ изготовления порошковых проволок методом прокатки-волочения. На поверхности изготовленных по этой технологии проволок остается тончайший слой волочильной смазки, благодаря которому в атмосферу дуги при механизированной сварке не вносится значительное количество водорода и обеспечивается хорошая подача проволоки по гибким шлангам.

В ИЭС им. Е.О. Патона совместно с Опытным заводом сварочных материалов (ОЗСМ) ИЭС и Алма-атинским заводом тяжелого машиностроения (Казахстан) разработано современное оборудование и технология изготовления порошковых проволок малого диаметра. Комплект оборудования для основных операций производства оснащен современными средствами объективного управления, документирования технологических операций и диагностики. Новое оборудование с проектной производительностью 1000 т в год поставлено на заводы Китая. Достигнутая производительность превысила проектную в 1,5 раза. Таким образом, созданы все условия для выпуска новых проволок в России и Украине. Вместе с тем для развертывания проекта нужен серьезный анализ рынка и соответствующее финансирование.

Далее, разработаны технология и оборудование для изготовления порошковых проволок диаметром 9-13 мм для инъекционной металлургии. Промышленное производство таких проволок налажено компанией “АРКСЭЛ” и на ОЗСМ ИЭС. За последние годы по соответствующей технологии на меткомбинате “Азовсталь”, Мариупольском МК им. Ильича и других промышленных предприятиях обработаны миллионы тонн сталей различного назначения, при этом достигнуто значительное улучшение качества. Выпускаемые стали сертифицированы большинством профильных агентств мира.

Применение порошковых проволок имеет большое будущее. У российских и украинских специалистов достаточно знаний и опыта, чтобы возродить изготовление этих материалов на современном уровне.

Проволоки сплошного сечения – это стальные сварочные проволоки, используемые для изготовления покрытых электродов, применяемых при механизированной дуговой сварке в защитных газах и под флюсом, электрошлаковой сварке и в качестве присадочных прутков при сварке неплавящимся электродом.

Сталь для этих проволок выплавляется в кислородных конвертерах, мартеновских и электродуговых печах и разливается либо в слитки, либо в заготовки на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В ряде случаев сталь для производства проволок подвергается специальной обработке с целью снижения содержания вредных примесей, неметаллических включений и дегазации металла. Слитки (заготовки) прокатываются по традиционной технологии. Катаная проволока подвергается холодному деформированию волочением. Требования к проволоке регламентируются стандартом ГОСТ 2246-70, который уже в значительной степени устарел.

Дальнейшее развитие проволок сплошного сечения будет идти по пути совершенствования их составов для улучшения сварочно-технологических, металлургических характеристик процесса сварки и улучшения свойств сварных соединений, а именно:

Необходимо обеспечивать высокую пластичность заготовок для повышения надежности процесса волочения, требуемые механические свойства проволок, высококачественную и очищенную их поверхность без надрывов и задиров, отсутствие овальности, минимальные отклонения размеров заготовок от заданного.

Направления и факторы дальнейшего развития сварочных материалов

На перспективу усилия исследователей и разработчиков необходимо сконцентрировать на поисках новых типов сырья и создании следующих новых сварочных материалов:

Приоритетными должны стать исследования и разработки нового высокопроизводительного оборудования и технологий выпуска сварочных материалов, систем аналитического сопровождения и управления качеством продукции.

Дуговая сварка в I четверти XXI века по-прежнему будет занимать лидирующее положение среди существующих способов сварки плавлением. Прогресс в разработке и изготовлении сварочных материалов зависит от тенденции развития конструкционных материалов. Основные решения в области создания новых сварочных материалов будут связаны с оптимизацией систем легирования металла шва в зависимости от структуры и свойств основного металла, с поиском путей уменьшения содержания водорода, азота и других вредных примесей в металле швов, с разработкой эффективных материалов и технологий, позволяющих повысить прочность и пластичность сварных соединений, снизить температуры предварительного подогрева, предупредить образование различных типов трещин, в том числе и индуцированных водородом. Будет производиться поиск новых шлаковых систем сердечников порошковых проволок, электродных покрытий и флюсов. Будут совершенствоваться металлургические и сварочно-технологические свойства электродов, флюсов, проволок сплошного сечения и порошковых, защитных газов с целью снижения пористости, предупреждения кристаллизационных трещин, улучшения провара, формы швов, отделимости шлаковой корки, стабильности горения дуги, снижения разбрызгивания.

Дальнейшее развитие получит математическое и физическое моделирование основных металлургических процессов дуговой сварки. Будут созданы компьютеризированные банки данных и база знаний, экспертные системы по сварочным материалам различного назначения.

В промышленно развитых странах в общем объеме производства сварочных материалов будет и впредь снижаться доля покрытых электродов и увеличиваться выпуск проволок для сварки в защитных газах сплошного сечения, особенно порошковых проволок (с флюсовым и металлическим сердечниками). При этом доля сварочных флюсов сохранится. В развивающихся же странах, как и ранее, будет широко применяться дуговая сварка покрытыми электродами.

Исследователям предстоит работать над снижением материалоемкости и энергоемкости сварочных материалов как в процессе их изготовления, так и применения. Преимущественно будут развиваться универсальные газозащитные порошковые проволоки малого диаметра и агломерированные флюсы, эффективные при сварке особо ответственных конструкций. Большое внимание также будет уделено созданию электродов, флюсов и проволок, минимально адсорбирующих влагу, обеспечивающих хорошее повторное зажигание дуги, легкую “подаваемость” сварочными полуавтоматами и автоматами, минимальное выделение сварочных аэрозолей.

В дальнейшем следует работать в направлении совершенствования и повышения надежности оборудования и технологии производства сварочных материалов, изыскания сырья стабильного качества, автоматизации аналитического контроля и технологического сопровождения производства. Будет улучшаться качество сварочных материалов, их товарный вид, упаковка и транспортировка. Следует совершенствовать подготовку специалистов различного профиля – исследователей и разработчиков сварочных материалов, а также технологов-производственников, высококвалифицированных техников и рабочих. Совершенствование экономической системы, повышение конкуренции со стороны стран Запада и Востока заставит профильные предприятия СНГ резко увеличить темпы экономико-технических преобразований и будет способствовать подъему производства сварных конструкций и сварочных материалов на новый уровень.