Разработка электродов с редкоземельным покрытием для подводной мокрой сварки низколегированных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гао Юань

• Гао Юань
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Гао Юань

Оглавление

Введение

Глава 1 Анализ свариваемости и сварочных материалов для

подводной мокрой сварки низколегированных сталей

1.1 Анализ повреждаемости и дефектов изделий морских подводных конструкций

1.2 Проблемы свариваемости при подводной мокрой сварке сталей

1.3 Разработки покрытых электродов и порошковых проволок для подводной мокрой сварки

1.3.1 Покрытые электроды для подводной мокрой сварки

1.3.2 Порошковые проволоки для подводной мокрой сварки

1.4 Требования нормативных документов при подводной мокрой сварке

1.5 Задачи работы

Глава 2 Моделирование газошлаковой и легирующей системы покрытых электродов для подводной сварки низколегированных

сталей

2.1 Разработка физической модели подводной мокрой сварки покрытым электродом

2.2 Требования к газошлаковой и легирующей системе покрытых электродов

2.3 Анализ теплофизических свойств газошлаковых систем покрытых электродов

2.3.1 Анализ вязкости и плавкости шлаковых систем

2.3.2 Анализ объема газовой фазы

2.3.3 Анализ теплофизических свойств газошлаковых систем

2.4 Моделирование активности газошлаковых систем покрытий и Стр покрытых электродов

2.4.1 Моделирование активности газошлаковой системы на основе TiO2-CaF2-CaO

2.4.2 Моделирование активности газошлаковой системы на основе TiO2-Fe2Oз-CaF2

2.4.3 Моделирование активности газошлаковой системы на основе LaFз-NaзAlF6-CaF2-TiO2

2.4.4 Активность покрытых электродов на основе TiO2-CaF2-CaO к водяному пару, водороду и кислороду

2.4.5 Активность покрытых электродов на основе TiO2-Fe2O3-CaF2 к водяному пару, водороду и кислороду

2.4.6 Активность покрытых электродов на основе LaF3-Na3AlF6-CaF2-ТО2 к водяному пару, водороду и кислороду

2.5 Моделирование фазового состава шлаковых систем

2.5.1 Двойные диаграммы фазового состава шлаковых систем

2.5.2 Моделирование фазового состава тройной системы TiO2-CaF2-

CaO

2.5.3 Моделирование фазового состава тройной системы TiO2-Fe2O3-CaF2

2.5.4 Моделирование фазового состава тройной системы LaF3-№АШб-ТЮ2

2.6 Выводы по главе

Глава 3 Разработка и исследование покрытых электродов для

подводной мокрой сварки

3.1 Конструкция и состав покрытого электрода для подводной сварки

3.2 Технология производства покрытых электродов

3.3 Исследование сварочно-технологических свойств покрытых Стр электродов

3.4 Выводы по главе

Глава 4 Исследование свойств сварных швов при мокрой сварке

покрытыми электродами

4.1 Методика исследований

4.2 Рентгеноспектральный анализ сварных соединений

4.3 Исследование микротвердости сварных соединений

4.4 Металлографические исследования сварных соединений

4.4.1 Анализ микроструктуры пробы №

4.4.2 Анализ микроструктуры пробы №

4.4.3 Анализ микроструктуры пробы №

4.4.4 Анализ микроструктуры пробы №

4.5 Исследование неметаллических включений и пористости в наплавленном металле

4.6 Механические испытания контрольных сварных соединений и химический анализ шва

4.7 Исследование образования холодных трещин

4.8 Исследование содержания диффузионного водорода

4.9 Выводы по главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Приложение. Акты внедрения

ВВЕДЕНИЕ

Объем подводных монтажных и ремонтных работ с использованием мокрой сварки металлических конструкций из сталей повышенной и высокой прочности в мире постоянно возрастает. Особенно важным направлением экономики РФ является освоение Арктики, Северного морского пути, районов Крайнего Севера. Подводная сварка наиболее часто используется на морском шельфе при строительстве и ремонте портовой инфраструктуры, морских сооружений, платформ, подводных трубопроводов, а также при аварийных ремонтах повреждений судов.

Ранее значительный вклад в разработку технологий подводной сварки и сварочных материалов внесли: академик Хренов К.К., Паршин С.Г., Левченко А.М., Мадатов Н.М., Авилов Т.И., Савич И.М., Максимов С.Ю., Fydrych D., Akselsen O.M., Ibarra S., Liu S., Pope A.M., Rowe M. Santos V.R. и другие ученые.

В настоящее время основным способом при ремонте морских конструкций является подводная мокрая дуговая сварка покрытыми электродами и порошковыми проволоками. Однако, применение порошковых проволок целесообразно при сварке швов большой протяженности, требует специальной аппаратуры и погружных механизмов подачи проволоки, в отличие от покрытых электродов. Поэтому подводная мокрая сварка коротких швов из сталей повышенной и высокой прочности часто осуществляется водолазами вручную с применением покрытых электродов импортного производства. В условиях санкций доступность указанных электродов для РФ ограничена, что обуславливает необходимость импортозамещения указанных сварочных материалов.

Серьезной проблемой покрытых электродов при подводной мокрой сварке низколегированных сталей повышенной и высокой прочности является появление дефектов в виде шлаковых включений, пористости, трещин и наличие

крупнокристаллической структуры, что не позволяют достичь равнопрочности шва с основным металлом. Высокая прочность и плотность шва при подводной мокрой сварке может быть достигнута за счет разработки и внедрения перспективных газошлаковых систем покрытых электродов на основе исследования металлургических, термодинамических и электрофизических процессов, что обуславливает актуальность настоящей работы.

Цель работы: повышение механических свойств сварного шва при подводной мокрой сварке низколегированных сталей с применением электродов с редкоземельным покрытием.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты термодинамического моделирования фазового состава покрытых электродов на основе газошлаковых и легирующих систем ТЮ2-СаБ2-СаО, TiO2-Fe2Oз-CaF2, LaFз-NaзAlF6-CaF2-TЮ2 и физико-металлургических процессов их взаимодействия с кислородом, водородом, гидроксилом и оксидами.

2. Результаты разработки химического состава и конструкции электрода с редкоземельным покрытием для дуговой сварки низколегированных сталей на основе низкокислородной композиции LaFз-NaзAlF6-CaF2-TЮ2 и исследований сварочно-технологических свойств электродов с покрытиями ТЮ2-СаБ2-СаО, TЮ2-Fe2Oз-CaF2, LaFз-NaзAlF6-CaF2-TЮ2 и стержнями Св-08А и Св-10Х16Н25АМ6.

3. Результаты металлографических исследований, определения диффузионного водорода и механических свойств сварных соединений при подводной мокрой сварке низколегированных сталей.

Научная новизна работы

1. На основе термодинамического моделирования и экспериментальных исследований установлен механизм увеличения прочности и плотности сварного шва низколегированных сталей при подводной мокрой сварке за счет снижения в атмосфере дуги атомарного кислорода О до 2,4 раза, в сварочной ванне оксида железа FeO до 14,7 раз с применением газошлаковой системы TiO2-LaF3-CaF2-№3АШ6, что подтверждается увеличением прочности швов до 550 МПа и снижением площади неметаллических включений до 0,5%.

2. Установлен механизм повышения активности газовой фазы по удалению водорода за счет роста концентрации Ш в реакциях со фтором и фторидами при температурах до 7000 К и давлении до 0,6 МПа, который подтверждается уменьшением содержания диффузионного водорода в 1,52 раза и площади пористости до 0,37% в наплавленном металле.

3. Обнаружен эффект измельчения зерен первичного феррита в 2,5 раза при подводной мокрой сварке низколегированных сталей с применением электродов с редкоземельным покрытием LaF3-Na3AlF6-CaF2-TiO2, который обуславливается наличием в сварочной ванне модификаторов LaO2, La2O3, №5Л1^14, выделяющихся из фторидного шлака с повышенным содержанием LaF3, перовскита СаТЮ3 и криолита №3АШ6.

Практическая значимость

1. Установлены оптимальные концентрации компонентов покрытых электродов на основе фторидно-перовскитной системы LaFз-NaзAlF6-CaF2-TiO2 в целях удаления кислорода, водорода, гидроксила и оксидов при подводной дуговой мокрой сварке.

2. Разработан химический состав и конструкция электрода с редкоземельным покрытием для дуговой сварки низколегированных сталей на основе низкокислородной композиции LaF3-Na3AlF6-CaF2-TiO2 высокой основности. Конструкция покрытого электрода состоит из внутреннего газошлакового покрытия с повышенной теплопроводностью с наполнением металлическими порошками из никеля, марганца и алюминия, внешнего водонепроницаемого покрытия из термостойкого лака, слоя графитового композита на контактном торце и стальных стержней марок Св-08А и Св-10Х16Н25АМ6.

3. Разработана установка по изготовлению многослойных покрытых электродов методом многослойного вибрационного окунания и конвейерной сушки. Разработана лабораторная установка для испытаний сварочно-технологических свойств покрытых электродов при подводной мокрой сварке и наплавке с компьютерным управлением.

4. При мокрой сварке низколегированных сталей электродами с редкоземельным покрытием временное сопротивление сварного шва увеличилось в 1,24 раза до 550 МПа, ударная вязкость в 2,2 раза до 78 Дж/см2, площадь неметаллических включений снизилась в 12-17 раз до 0,5%, содержание диффузионного водорода уменьшилось в 1,52 раза до 27,88 мл/100 г, что свидетельствует о достижении цели работы.

Теоретическая ценность

Предложен комплексный подход и разработано системное решение по анализу и выбору газовых и шлаковых систем для разработки электродов с редкоземельным низкокислородным покрытием для подводной мокрой сварки на основе анализа теплофизических, термодинамических характеристик газовой и

конденсированной фазы, а также их металлургической активности по удалению водорода, кислорода, гидроксила и оксидов при повышенном давлении среды.

Методы исследований

Для подводной мокрой сварки использовали пластины из сталей 09Г2С, D36, S960QC толщиной 4-16 мм. Для изготовления покрытых электродов использовали стержни диаметром 4 мм из стали Св-08А, Св-10Х16Н25АМ6, химически чистые порошки металлов, ферросплавы и минеральные компоненты. Подводную мокрую сварку производили на лабораторной установке на глубине 200-300 мм, а также в гипербарической камере с моделированием глубины до 30 м с применением покрытых электродов диаметром 4 мм c коэффициентом массы покрытия 21-22%, толщиной покрытия 1,1±1,1 мм, толщиной водонепроницаемого лака 0,04-0,05 мм. Источником тока являлся выпрямитель ВД-313. Для анализа токов и напряжений использовали цифровой USB-осциллограф с частотой измерения 32 кГц, программы Multi VirAnalyzer software (Harbin Instrustar), программу Matlab. Для анализа подводных процессов использовали высокоскоростную видеокамеру Phantom VEO 710L (Vision Research, USA) с частотой записи 2000 кадров/с с программой Phantom CV. Для термодинамического моделирования использовали программу Терра (г. Москва). Металлографические исследования и рентгеноспектральный анализ производили с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN Mira 3 LMU. Измерение микротвердости производили микротвердомером MICRO-Duromat 4000E, при нагрузке 2 Н с шагом 100 мкм.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электродов с редкоземельным покрытием для подводной мокрой сварки низколегированных сталей»

Апробация работы

Результаты работы докладывались на XIX и XX Международных научно-технических конференциях «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2023, 2024 гг.), XIII Всероссийской научно-технической конференции «Жизненный цикл конструкционных материалов», (Иркутск, ИНИТУ, 2023 г.), Международной конференции «Инновационные сварочные технологии в судостроении, производстве морской техники и строительстве береговых объектов» - «НЕВА 2023» (Санкт-Петербург, 2023 г.), V Международной научной конференции «Сварка и родственные технологии для изготовления оборудования специального и ответственного назначения» (Москва, 2023 г.), научном семинаре НОЦ «Сварочные и лазерные технологии» ФГАОУ ВО СПбПУ (Санкт-Петербург, 2023 г.), МНТК «Машиностроительные технологические системы», посвященную 85-летию кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства ДГТУ» (Ростов-на-Дону, 2023 г.), 15-й Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении», научный конгресс «Русский инженер» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2023 г.), международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (Могилев, Белорусско-Российский университет, 2023 г.), Всероссийской конференции, приуроченной к 75-летию ЯНЦ СО РАН (Якутск, ЯНЦ СО РАН, 2024 г.), I Всероссийской научно-технической конференции им. ак. Н.П. Алешина с международным участием (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2024 г.), 62-й научной конференции ВолГТУ (Волгоград, ВолГТУ, 2025 г.).

Внедрение результатов

Результаты исследований, сварочные материалы и лабораторный стенд для подводной мокрой сварки покрытыми электродами внедрены в учебную и научную деятельность ФГАОУ ВО «СПбПУ» при подготовке аспирантов по направленности 15.06.01_07 «Сварка, родственные процессы и технологии», магистров и бакалавров по направлению «Металлургия» и «Машиностроение», а также при проведении подводно-технических работ при ремонте ответственных портовых конструкций. Акты внедрения приложены к диссертации.

Личный вклад соискателя заключается в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, разработке лабораторного стенда и установки для производства покрытых электродов, расчетно-экспериментальном моделировании составов покрытий, математической обработке результатов.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК РФ, 10 публикаций в сборниках конференций, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 89 наименований и приложения. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 140 рисунков и 21 таблицу.

1 АНАЛИЗ СВАРИВАЕМОСТИ И СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОДВОДНОЙ МОКРОЙ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

1.1 Анализ повреждаемости и дефектов изделий морских подводных

конструкций

В последние годы увеличивается количество морских конструкций из высокопрочных хладостойких сталей из-за освоения Арктики, районов Крайнего Севера, Северного морского пути и глубоководного шельфа при добыче нефти и газа [1-9]. При проектировании, монтаже и строительстве надводных и подводных морских конструкций и судов используются широкая номенклатура конструкционных материалов, среди которых низколегированные стали повышенной и высокой прочности, сплавы цветных металлов [10, 11].

Морские конструкции и сооружения эксплуатируются в суровых условиях, поэтому разработка технологий сварки и сварочных материалов повышенной прочности является одной из перспективных тенденций развития [12, 13].

Повреждения морских конструкций и техники часто возникают при воздействии коррозионной среды и напряжений, что приводит к коррозионным язвам, питтинговой коррозии и трещинам, Рис. 1.1.

Рис. 1.1 Трещины в морском нефтепроводе и в угловом сварном шве опорной части морской платформы

Кавитационная эрозия разрушает поверхность кромки и середину гребных винтов и приводит к трещинам [14], Рис. 1.2.

Рис. 1.2 Кавитационная эрозия у кромки и середины лопасти [15]

Совместное воздействие химической коррозия и механической эрозии из-за наличия в морской воде песка приводит к образованию глубоких царапин и борозд, Рис. 1.3.

а) б)

Рис. 1.3 Поверхность лопастей гребного винта: а - из стали Сг12МоУ при эрозионном износе [16]; б - питтинговая коррозия поверхности гребного винта из бронзы [17]

1.2 Проблемы свариваемости при подводной мокрой сварке сталей

Современные судостроительные (оффшорные) стали имеют предел текучести до 355-720 МПа, эквивалент углерода более 0,3% и многокомпонентное микролегирование элементами: V, М, B, ^ [2, 3].

Для того обеспечения надежности и долговечности морские конструкции должны иметь сварные соединения с высокой прочностью и ударной вязкостью и хладостойкостью в условиях знакопеременных нагрузок и воздействия коррозионной среды. Для улучшения свариваемости судостроительных сталей повышенной толщины требуется предварительный нагрев и высокий отпуск, что осложняет технологию ремонтной и монтажной сварки [17].

Высокопрочные стали имеют ограниченную свариваемость из-за высокой чувствительности к термическому циклу сварки, появления закалочных структур мартенсита и холодных трещин при насыщении диффузионным водородом [18].

Для получения высокой пластичности и трещиностойкости в высокопрочных сталях для морской техники общее содержание S и Р должно быть ниже 0,003% и 0,009% соответственно, а в сварных швах: S<0,008-0,014%; Р<0,012-0,014% [19]. Сера и фосфор образуют пластинчатые или цепочечные включения из эвтектик (FeS+Fe/FeO) и (FeзP+Fe), которые распределяются по границам зерен, снижая пластичность и ударную вязкость. Основными способами снижения содержания S и Р в металле шва являются снижение S и Р в сварочном материале и введение при сварке щелочноземельных и редкоземельных металлов Са, Mg, Ва, La, Y, Се для связывания и металлургического удаления вредных элементов.

Подводная мокрая сварка этих материалов приводит к выгоранию легирующих элементов, пористости, плохому формированию шва, непроварам, высокой твердости шва и зоны термического влияния (ЗТВ), появлению холодных и горячих трещин [20, 21].

При мокрой сварке под водой поверхность сварочной ванны окружена кипящим слоем из водяного пара, что приводит к увеличению скорости охлаждения в 10 раз по сравнению со сваркой на воздухе [22]. Из-за эффекта водяного охлаждения мгновенная скорость охлаждения в диапазоне критических температур аустенитного превращения t8/5 составляет всего 2-6 с, в результате чего образуются закалочные структуры бейнита и мартенсита [23-25]. Кроме того, высокая скорость охлаждения и кристаллизации усиливает водородную пористость. Наличие закалочных структур, водорода и остаточных напряжений приводят к образованию холодных трещин. С увеличением глубины и давления ухудшается ионизация и стабильность сварочной дуги.

Поскольку мокрая дуговая сварка осуществляется в парогазовом пузыре с высоким парциальным давлением кислорода, то при мокрой сварке происходит окисление и выгорание легирующих элементов, что снижает коэффициента их перехода и образует шлаковые (оксидные) включения. Снижение легирования увеличивает объем грубого зернограничного феррита и пластинчатого феррита, что вместе с формированием шлаковых включений резко снижает механические свойства сварного шва.

Образование парогазового пузыря при разложении воды дугой является основным условием подводной мокрой сварки [26]. Для образования дугового пузыря должны быть соблюдены следующие физические условия:

Pg > Ра + Ph+ Ps

где: Pg - давление внутри пузыря; Ра - атмосферное давление; Ph -гидростатическое давление вокруг пузыря; Ps дополнительное давление, вызванное поверхностным натяжением пузырька. При сварке на воздухе Ph близок к нулю, а при сварке под водой Ph увеличивается с увеличением глубины воды, а Ра и Ps не зависят от глубины воды. Одним из способов увеличения Pg является повышение температуры дуги и сварочного тока; второй способ -улучшение шлакообразования и газообразования через электродное покрытия для выделения СО и С02 при разложении покрытия.

Основной причиной образования пористости является высокое содержание водорода в сварочной ванне. В работе [27] было установлено, что при сварке покрытыми электродами на основе оксида железа + железный порошок + оксид титана, состав пор содержал более 99% Н2. Следовательно, покрытие электродов должно иметь соединения для связывания и удаления водорода при высоком содержании ионизаторов.

Насыщение водородом и образование пористости значительно снижает качество сварных соединений [28]. При увеличении объема пористости более 510% эффективная площадь сечения шва и предел прочности сварных швов резко снижаются. Холодные трещины возникают из-за склонности сталей к закалке, остаточных напряжений, диффузионного водорода в металле шва и зоне термического влияния [29]. Содержание диффузионного водорода в сварном шве при подводной сварке покрытым электродом составляет 30-40 мл/100 г и может достигать максимум 60-70 мл/100 г, что в несколько раз больше, чем при сварке электродом на воздухе, что приводит к образованию холодных трещин, Рис. 1.4.

Рис. 1.4 Микроструктура холодной водородной трещины в структуре бейнита. Увеличение 200х [30]

Таким образом, проблемы свариваемости сталей при подводной мокрой сварке, можно представить в виде схемы, Рис. 1.5.

Рис. 1.5 Проблемы, возникающие при подводной мокрой сварке. На основе [20]

1.3 Разработки покрытых электродов и порошковых проволок для

подводной мокрой сварки

1.3.1 Покрытые электроды для подводной мокрой сварки

Требования к покрытым электродам и порошковым проволокам для подводной мокрой и гипербарической сварки сформулированы в монографиях проф. Паршина С.Г. [1, 31].

Для подводной сварки применяют электроды со стержнями из низкоуглеродистой, аустенитной стали и никеля с особым составом покрытия.

Аустенитные электроды имеют стержень из высоколегированной стали или никелевого сплава и используются для подводной сварки сталей с эквивалентом углерода свыше 0,3 %. При этом, наплавленный металл высокую стойкость против образования ХТ, однако, стойкость против образования ГТ снижается, поэтому требуется особая техника сварки под водой. Кроме того, имеется

высокая вероятность образования ХТ по границе шва из-за появления мартенсита в результате химической неоднородности при диффузии хрома и никеля из шва в основной метал [32].

В работе [33] анализируются свойства аустенитных электродов ЭПС-АН2А со стержнем из стали Св-10Х16Н25АМ6 для сварки под водой высокопрочных сталей при мокрой сварке пластин толщиной 14 мм из стали 17Г1С, Таблица 1.1.,

1.2.

Таблица 1.1

Химический состав шва и основного металла, % [33]

Зона Fe М Mn & Mo Si C

Металл шва 62.8 14.7 5 14.2 2.8 0.5 -

Основной металл 97.5 0.1 1.67 0.1 - 0.36 0.18

Таблица 1.2

Механические свойства шва и основного металла при сварке аустенитными

электродами [33]

Образец Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Дж/см2 Угол загиба, град

Металл шва > 410 > 620 > 30 > 110 180

Основной металл 340 510 23 — —

Применение никелевых электродов позволило увеличить прочность шва, и уменьшить образование мартенсита на границе шва. При сварке под водой никелевыми электродами сталей с эквивалентом углерода 0,595% и 0,696% были получены швы без холодных трещин [34].

Наиболее широко используются в настоящее время покрытые электроды из 40-60% гематита Fe2O3 и/или рутила, которые имеют ряд недостатков, Таблица 1.3.

Таблица 1.3

Сравнение характеристик сварочных электродов из рутила и оксида железа

Характеристика Рутиловый электрод Электрод с гематитом

Сварочно-технологические свойства Хорошая стабильность дуги и формирование шва Плохая стабильность дуги, грубая форма сварного шва

Химический состав шва По мере увеличения глубины воды выгорают Мп и Si, содержание кислорода увеличивается Высокое содержание кислорода во всех диапазонах глубин, серьезные потери легирующих элементов Мп и Si

Содержание диффузионного водорода Высокое (<90 мл/100 г) Пониженное (<20 мл/100 г), с минимальным содержанием 13 мл/100 г

Содержание кислорода и шлаковых включений Повышенное Очень высокое

Пористость Высокая, увеличивается с глубиной воды Низкая, но увеличивается с глубиной воды

Прочность шва Предел прочности менее 480 МПа Предел прочности менее 400 МПа

Относительное удлинение шва Менее 12% Менее 7%

Склонность к холодным трещинам Высокая чувствительность из-за насыщения водородом Высокая чувствительность из-за шлаковых включений острой формы

В работе [35] разработали покрытые электроды для сварки пластин размером 12*200*65 мм из высокопрочной судостроительной стали Е40 толщиной 12 мм с подкладкой 12 мм. Предел прочности составлял 510-660 МПа с химическим составом, масс. %: С < 0,18; Мп 1,2; Si < 0,50; Р<0,035; S<0,035; А1<0,015; У(0,15-1,0); КЪ (0,02-0,05); Т < 0,02 с эквивалентом углерода 0,4%.

Для стержня диаметром 4 мм использовали углеродистую сталь, масс. %: С <0,1; Si<0,03; Мп 0,30-0,55; Р<0,020; S<0,020; М<0,030; Сг<0,020; Си<0,20. Покрытие электрода состояло из смеси жидкого стекла рутила, полевого и плавикового шпата, в качестве газообразующих использовали мрамор и

карбоксилметилцеллюлозу, в качестве раскислителя использовали ферромарганец. Шлаковая система покрытия состояла из смеси ТЮ2^Ю2-СаСОз-МпО-СаР2 с коэффициентом основности 1,1. Подводную сварку производили на глубине 200 мм при токе 200 А, напряжении дуги 30 В, скорости сварки 140 мм/мин. Для увеличения прочности шва в покрытие вводили порошок никеля в количестве от 0 до 20 % от массы покрытия. При содержании 8,7% никеля в покрытии (2,45% в шве) достигли увеличения прочности шва от 480 до 540 МПа, удлинение увеличилось с 3 до 14%, ударная вязкость при 0°С от 32,5Дж/см2 до 63 Дж/см2, угол изгиба увеличился с 6 до 61°. Дальнейшее увеличение никеля вызвало ухудшение вязкости и пластичности и привело к образованию трещин и шлаковых включений, Рис. 1.6.

а) б)

Рис. 1.6 Вид шва при мокрой сварке покрытыми электродами; а - до удаления шлака; б - после удаления шлака [35]

Рис. 1.7 Макроструктура сварных швов при подводной сварке: а - 7,1% № в покрытии; б - 8,7% № в покрытии; в - 1,3% Мо, 1,32<%П, 0,89% FeB в покрытии; г - 2,19% Мо, 1,3<%П, 0,87% FeB в покрытии [35]

Анализ твердости показал, что твердость вблизи линии сплавления достигает 350-370 НУ при твердости шва 160-230 НУ и твердости свариваемой стали 190 НУ. При введении в покрытие порошка молибдена, титана и ферробора твердость на границе шва увеличилась до 400 НУ, что свидетельствует об образовании мартенситной прослойки, Рис. 1.8.

Расстояние от центра шва (мм) $ Опт >

а) б)

Рис. 1.8 Распределение твердости при подводной сварке: а - 8,7% М в покрытии; б -1,3% Мо, 1,320%П, 0,89% FeB в покрытии [35]

При введении в покрытие порошка молибдена, титана и ферробора прочность шва увеличили до 641-682 МПа, однако ударная вязкость уменьшилась до 41 Дж/см2, относительное удлинение уменьшилось до 5%, угол изгиба уменьшился до 23о, возникли многочисленные трещины и шлаковые включения, которые представляли собой преимущественно оксиды железа, также имелись оксиды кремния, марганца и титана.

Таким образом, введение никеля позволяет повысить механические характеристики шва и достичь высокой прочности, ударной вязкости и пластичности. Однако, наличие никеля в покрытии вызывает образование мартенситной прослойки и никель является дорогим металлом, что увеличивает стоимость электродов.

Наиболее важной проблемой является появление на границе шва мартенситной прослойки, что может охрупчивать сварной шов. Мартенситная прослойка образуется при перемешивании электродного и основного металла.

Следовательно, нужно удалить никель из покрытия, чтобы уменьшить твердость на границе шва при высоких скоростях охлаждения под водой, которые достигают до 100 оС/с. Шлаковая система ТЮ2^Ю2-СаС03-Мп0-Сар2 содержит высокую концентрацию оксидов, что увеличивает окисление сварочной ванны и приводит к образованию шлаковых включений в виде оксидов железа. Следовательно, необходимо изменить шлаковую систему и уменьшить в её составе содержание оксидов. Возникновение трещин можно объяснить высоким уровнем диффузионно-подвижного водорода до 56 мл/100 г, что свидетельствует о малой эффективности газошлаковой системы покрытия по связыванию водорода. Следовательно, нужно ввести в состав покрытия активные фториды и увеличить содержание плавикового шпата для удаления водорода.

В диссертации [36] для мокрой сварки использовали углеродистую сталь Q235 ^235Ж), состава, %: 0,19С; 0,14Мп; 0,026Si; 0,031Сг; 0,15Р. Предел текучести Q235 составлял 235 МПа, предел прочности 375~460 МПа, эквивалент углерода 0,22%. Для мокрой сварки изготавливали электроды из трубки диаметром 10 мм, толщиной 1 мм, длиной 300 мм. Внутрь трубки размещали пучок 4-10 порошковых проволок YCJ501-1 диаметром 1,2 мм, с химическим составом наплавленного металла, масс. %: С<0,12; Мп(1-1,5); Si(0,20-0,6); №<0,5; Сг<0,2; Мо<0,2; У<0,08; №><0,05; Си<0,3. Затем трубку с пучком проволок заполняли флюсом Ш431 из смеси, масс. %: SiO2 (40-50); АШ3+ТЮ2(2-10); Fe0+Mn0(30-40); CaO+MgO(5-15); Сар2(3-10) и жидкого стекла. Также использовали рутиловые покрытые электроды для подводной сварки TS202 (AWS А.5.1 Е6013) с химическим составом наплавленного металла, масс. %: С<0,12; Мп(0,3-0,75); Si<0,45 с пределом прочности 500 МПа, диаметром 4 мм. Сварочный ток составлял 190 А, напряжение 30 В, Рис. 1.9.

Рис. 1.9 Поперечное сечение трубчатого электрода и наплавленного валика с линией измерения твердости [36]

При сварке на воздухе трубчатым электродом с 4-7 порошковыми проволоками внутри микротвердость валика в направлении от верха к низу уменьшалась от 190-240 НУ до 160-180 НУ, на границе шва твердость увеличивалась до 200-240 НУ. Анализ размера зерна показал, что в направлении от верха к нижней части валика диаметр зерна увеличивается с 11 до 89 мкм. В середине валика размер зерна составляет 31-37 мкм.

При сварке под водой на глубине 2 м трубчатым электродом с 3; 8-10 порошковыми проволоками внутри трубчатого стержня, микротвердость валика по линии измерения снижалась с 250-300 НУ до 200-250 НУ, на границе шва твердость увеличивалась до 420-450 НУ, Рис. 1.10.

Микротвердость, 11 Уп

Микротвердость, НУоз

Микротвердость, НУо,з

Т8202 » Л

\ 1

■ ■ • ■ ■ " ■ ■ ] 1 ■ * Ч Ч

^ > \1 •

тэю ■■»III,..

2 3 4 5 Расстояние, мм

2 3 4 5 Расстояние, мм

0 1

2 3 4 5 Расстояние, мм

6 7

а) б) в)

Рис. 1.10 Распределение микротвердости в поперечном сечении валиков сверху-вниз при мокрой сварке покрытым электродом TS202, трубчатым электродом ТЭ с 8 (а), 9 (б), 10 (в) порошковыми проволоками [36]

С увеличением количества порошковых проволок в сечении от 8 до 10 штук, твердость наплавленного металла снижалась с 280 НУ до 200 НУ, максимальная твердость на границе шва составляла 400-450 НУ, затем снижалась в ЗТВ до 170-210 НУ при твердости основного металла 140-150 НУ. Увеличение твердости на границе шва объяснили образованием в микроструктуре реечного мартенсита с наличием зернистого бейнита и небольшого количества феррита.

По сравнению с трубчатым электродом, использование покрытого электрода ТШ422 вызвало уменьшение ширины шва с 10 до 7,5 мм и увеличение твердости шва до 350 НУ.

Таким образом, использование покрытого электрода и трубчатого электрода при мокрой сварке низкоуглеродистой стали вызывает упрочнение ЗТВ в 3 раза, что обуславливает высокую степень анизотропии и склонность ЗТВ к появлению холодных трещин из-за высокой твердости и наличия мартенсита.

Другой проблемой является высокое содержание оксидов SiO2; FeO; МпО во флюсе трубчатого электрода и рутила ТЮ2 в покрытом электроде, которые активно окисляют сварочную ванну. Третьей проблемой является низкое содержание СаР2, которое не позволяет эффективно снижать содержание водорода над сварочной ванной в реакциях связывания водорода с образованием №.

Следовательно, необходимо при разработке перспективного покрытия для сварки высокопрочной стали уменьшить содержание оксидов: SiO2; FeO; МпО ТЮ2, а также значительно увеличить содержание СаР2 и других фторидов для связывания водорода, и водяного пара.

В работе [37] свойства шлака при подводной мокрой сварке стали Е40 покрытым электродом со стержнем диаметром 4 мм марки Н08А, состава, масс. %: С<0,1; Мп(0,35-0,6); Si<0,03; Сг<0,2; №<0,3; Си<0,2. Диаметр электродов с покрытием составлял 6,1; 6,5; 6,7 мм, ток 190 и 220 А, напряжение 25-30 В, погонная энергия 2,06-3,14 кДж/мм. Покрытие рутиловых электродов с основностью 1,265-1,34 состояло из композиции ТЮ2-СаСОз^Ю2-СаР2-РеМп-

FeSi и жидкого стекла. Мокрая сварка на глубине 2 м показала, что при толщине покрытия 1,05 мм шлак не позволяет полностью изолировать сварочную ванну. Увеличение толщины покрытия до 1,25-1,35 позволило улучшить изолирование сварочной ванны при токе 220 А, однако привело к разбрызгиванию. Рентгеноструктурный анализ показал, что основными фазами в шлаке являются: перовскит СаТЮз, титанаты марганца и железа МпТЮз, FeTiOз, силикаты Са^Ю4, CaSiO3 и оксид SiO2.

Второй проблемой является наличие в шлаке большого содержания кислорода - до 37,6-39,4 масс. %. Особенностью шлака является высокое содержание оксидов в шлаке, %: ТЮ2(29-31), SiO2(17-19), СаО(17-23), FeO(6), АЬО3(2-3) и пониженное содержание фторидов, %: CaF2(9-10).

Таким образом, использование шлаковой системы ТЮ2-СаСО3^Ю2-СаР2 не позволяет получить надежное изолирование сварочной ванны при мокрой сварке и может приводить к окислению сварочной ванны, что способно ухудшить механические свойства сварного шва и привести к наводораживанию. Причиной этого является высокое содержание активных оксидов ТЮ2, SiO2, тугоплавкого оксида СаО (Тпл=2572 оС), низкая основность шлака и низкое содержание фторидов.

Улучшение сварочно-технологических и металлургических свойств шлака можно достичь за счет повышения основности шлака, исключения оксидов кремния из покрытия, снижения содержания оксида титана и мрамора, увеличения в составе покрытия плавикового шпата и других фторидов, снижения поверхностного натяжения шлака.

1.3.2 Порошковые проволоки для подводной мокрой сварки

При мокрой сварке используются самозащитные порошковые проволоки. Подробный обзор порошковых проволок представлен в монографиях [1, 31] и публикациях и патентах [38-45].

В диссертации [46] исследовали подводную мокрую сварку рутиловой порошковой проволокой системы TЮ2-CaF2-SЮ2-MgO диаметром 1,6 мм, состава, %: ^0,15%; Mn<0,6%; P<0,1%; S<0,05% с составом шихты, масс. %: 20-35ТО2; 15-30Сар2; 2-ШЮ2; 4-15MgO; 2-4LiF; 15-50^ Ti, Fe, Mn, Ni) c коэффициентом заполнения 30%. Выполняли сварку образцов судостроительной стали E40 с эквивалентом углероду 0,39 с нормативной прочностью 510-650 МПа. Образцы имели размер 200*60*10 мм и состав, %: 0,16^ 1,36Mn; 0,45Si; 0,03^; 0,05Ni; 0,02 Cr. Напряжение дуги составляло 27-29 В; сила тока 166-195 А; скорость подачи проволоки 4,5 м/мин; скорость сварки 90 мм/м.

При анализе микроструктуры шва выявили наличие многочисленных оксидных включений, Рис. 1.11.

Proeutectoid ferrite .

Acicular ferrite

. ' Blocky ferrite

• ' • ' V

: "gp

Side plate ferrite

' ' Ш

25 um

а) б)

Рис. 1. 11 Микроструктура шва с оксидными включениями при мокрой сварке при погонной энергии: а - 20 кДж/см; б - 32 кДж/см [46]

При введении термитной смеси Al/CuO в шихту проволоки количество оксидных включений значительно увеличилось, Рис. 1.12.

а) б)

Рис. 1.12 Микроструктура шва с оксидными включениями при мокрой сварке при введении термитной смеси А1/СиО в шихту [46]

Прочность сварных соединений составила 470-520 МПа, ударная вязкость 50-80 Дж/см2. Введение в шихту термитной смеси А1/СиО вызвало уменьшение прочности шва до 432-492 МПа и ударной вязкости до 5-30 Дж/см2, а также вызвало появление микротрещин длиной до 0,8 мм, Рис. 1.13.

Рис. 1.13 Микротрещины в шве при введении в шихту термитной смеси А1/СиО [46]

При введении в шихту термитной смеси А1/СиО совместно с N10 ударная вязкость шва составила 18-45 Дж/см2, а прочность шва уменьшилась до 420 МПа.

Таким образом, применение системы TЮ2-CaF2-SЮ2-MgO и дополнительное введение термита из оксидов не позволило достичь равнопрочности шва со свариваемой сталью Е40 при мокрой сварке ферритной

порошковой проволокой из-за образования оксидных включений и микротрещин в шве на участках мартенсита. Следовательно, из состава новой порошковой проволоки должны быть исключены оксиды и введены компоненты для измельчения микроструктуры.

При сварке никелевой порошковой проволокой системы стали Р460 с нормативной прочностью 550-720 МПа ударная вязкость шва и ЗТВ увеличилась до 92-128 Дж/см2, однако прочность шва составила 480-518 МПа. Основной причиной низких механических свойств является появление трещин по границе шва из-за мартенситной полосы с твердостью до 450 НУ, Рис. 1.14.

П1я1апсе(гпт)

Рис. 1.14 Появление холодных микротрещин и распределение микротвердости по сварному соединению стали Р460 при мокрой сварке никелевой порошковой проволокой [46]

Введение в шихту термитной смеси А1/№0 вызвало значительное ухудшение прочности шва до 330 МПа и ударной вязкости до 38 Дж/см2, Рис. 1.15.

Рис. 1.15 Влияние Al/NiO на механические свойства металла шва и оксидные включения в аустенитном шве [46]

Причиной снижения вязкопластических свойств шва явилось наличие оксидных включений типа FeO, Al2O3 и MnO.

Таким образом, применение системы TЮ2-CaF2-SЮ2-MgO и дополнительное введение термита Al/NiO не позволило достичь равнопрочности шва с высокопрочной свариваемой сталью Q460 при мокрой сварке никелевой порошковой проволокой из-за образования оксидных включений в шве и микротрещин на границе шва на участках мартенсита с твердостью до 450 HV.

Следовательно, состав нового покрытия в штучных электродах должен препятствовать образованию шлаковых включений в шве и способствовать измельчению микроструктуры. Этого можно достичь за счет исключения из состава покрытия оксидов FeO, Al2O3 и MnO, а также за счет повышения основности шлаковой фазы при введении в состав покрытия повышенного содержания фторидов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гао Юань, 2025 год

Список литературы

1. Паршин С.Г. Материалы и технологии подводной сварки. Монография. Санкт-Петербург : Издательство Политех-Пресс, 2023. 468 с.

2. НД № 2-020101-174 Правила классификации и постройки морских судов. Часть XIV. Сварка. Санкт-Петербург : Российский Морской Регистр Судоходства, 01.01.2024. 183 с.

3. Хлусова Е.И., Сыч О.В., Орлов В.В. Хладостойкие стали. Структура, свойства, технологии // Физика металлов и металловедение. 2021. Т. 122. № 6. С. 621-657.

4. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х томах / Под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. М.: Машиностроение, 2004., Т. 2. 480 с.

5. Сварка взрывом: процессы и структуры / под ред. Б.А. Гринберг, М.А. Иванова, С.В. Кузьмина, В.И. Лысака. М.: Инновационное машиностроение, 2017. 236 с.

6. Rudskoi A.I. and Parshin S.G. Advanced trends in metallurgy and weldability of high-strength cold-resistant and cryogenic steels. Metals. 2021, 11, 1891. P. 1-26.

7. Каблов Е.Н., Антипов В.В. Роль материалов нового поколения в обеспечении технологического суверенитета Российской Федерации // Вестник Российской академии наук. 2023. Т. 93. № 10. С. 907-916.

8. Горынин И.В., Кархин В.А. Сварочная наука в свете развития материаловедения // Вопросы материаловедения. 2015. № 1(81). С. 73-76.

9. Паршин С.Г. Концептуальные проблемы свариваемости хладостойких и криогенных сталей для конструкций Арктики и водородной энергетики // Сварка и диагностика. 2023. № 4. С. 18-25.

10. Gao W B, Wang D, Cheng F, et al. Microstructural and mechanical performance of underwater wet welded S355 steel. Journal of Materials Processing Technology. 2016, 238. P. 333-340.

11. Fydrych D., Labanowski J., Rogalski G. Weldability of high strength steels in wet welding conditions. Polish Maritime Research. 2013, 20(2). P. 67-73.

12. Kitagawa Y and Kawasaki H. Recent development of high strength and tough welding consumables for offshore structures. Kobelco Technol. Rev. 2013. (32).

13. Di X.J., Ba L.Z., Li C.N. Research status and development trend of welding materials for marine engineering. Electric Welding Machine. 2020. 50(9). P. 92-102. (На китайском).

14. Franc J.P., Michel J.M. Fundamentals of Cavitation. Springer Science & Business Media. Netherlands: Springer, 2006.

15. Chen H.Q. Analysis of corrosion defects of copper alloy propellers for high-speed ships. Jiangsu Shipbuilding. 2019, 36, 6. (На китайском).

16. Ding Z.L., Wang W.T., Wu J.P.. Study on erosion and wear of commonly used materials for centrifuge overflow parts. Journal of Hunan University of Technology. 2013, 27(6). P. 22-24. (На китайском).

17. Neodo S, Carugo D, Wharton J A, et al. Electrochemical behaviour of nickelaluminium bronze in chloride media: Influence of pH and benzotriazole. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2013, 695(8). P. 38-46.

18. Li F.B. Ship and Ocean Engineering Welding. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2015. (На китайском).

19. Li F.B., Pan C., Yang W.H., Mei F.Q. Research status and development trend of high-strength steel welding technology for marine engineering. Welding and Cutting. 2021, 8. P. 35-38. (На китайском).

20. Labanowski J. Development of under-water welding techniques. Welding International. 2011, 25(12). P. 933-937.

21. Fydrych D., Rogalski G., Labanowski J. Problems of underwater welding of higher-strength low alloy steels. Biuletyn Iinstytutu Spawalnictwa. 2014, 4. P. 187195.

22. Toshimichi, Fukuoka, Shinji, et al. Analysis for cooling process of underwater welding - comparison with welding in air. Journal of the Marine Engineering Society in Japan. 1993. P. 767-774.

23. Исследование термических циклов и упрочнения зоны термического влияния при подводной мокрой сварке судостроительной стали / В.Е. Никулин [и др.] // Сварка и диагностика, 2024. № 2. С. 18-23.

24. Никулин В.Е., Паршин С.Г., Левченко А.М. Исследование остаточных сварочных напряжений при подводной мокрой сварке низколегированной стали с применением магнитоанизотропного и рентгенодифрактометрического метода // Дефектоскопия. 2021. № 8. С. 37-50.

25. Nikulin V.E., Parshin S.G., Levchenko A.M. Study of residual welding stresses for underwater wet welding of low-alloy steel using magnetic anisotropic and X-ray diffractometry methods. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021, 57, 8. P. 692-705.

26. Wu A.R., Xia P., He YX., et al. Metallurgical characteristics of wet underwater welding and underwater electrode designs. Journal of Xi'an Polytechnic Institute of Technology. 2002, 22(2). P. 155-158 (На китайском).

27. Ando S., Asahina T. A study on the metallurgical properties of steel welds with underwater gravity welding // Underwater weld. Proc. Int. Conf. Trondheim, 27-28 June, 1983, Oxford e.a. P. 255-261.

28. Parshin S.G., Levchenko A.M. and Maystro A.S. Metallurgical model of diffusible hydrogen and non-metallic slag inclusions in underwater wet welding of high-strength steel. Metals. 2020, 10, 1498. P. 1-17.

29. Peng W., Huang J.Z., Wang C., Guo G., Wang Ji.S. Underwater wet welding crack sensitivity test. Electric Welding Machine. 2017, 47, 5. P. 124-128. (На китайском).

30. Fydrych D., Kozak T. Underwater Welded Joint Properties Investigation. Advances in Materials Science. Advances in Materials Science. 2009, 9, 4(22). P. 414.

31. Паршин С. Г. Металлургия подводной и гипербарической сварки / С. Г. Паршин. СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2016. 402 с.

32. Gooch T. Properties of underwater welds. Part 1. Procedural Trials // Metal Constructions. 1983, 3. P. 164-167.

33. Свойства аустенитного металла шва, выполненного под водой / Н.В. Зайцева [и др.] // Автоматическая сварка. 2004. № 4. С. 21-23.

34. Rowe M., Liu S. Recent developments in underwater wet welding // Science and Technology of Welding and Jointing. 2001, 6, 6. P. 387-396.

35. Ke Y. The development and alloying additions of high-strength covered electrode for underwater wet welding. Dissertation for the Master Degree in Engineering. Harbin Institute of Technology. China. 2013. 80 p. (на китайском)

36. Song YJ. The Manufacture of Multiple Concentric Cored Underwater Electrode. Master's Thesis. Dalian Maritime University. China. 2015. 49 p. (на китайском).

37. Li H.X., Zhang L.L., Yang Z.L., Yin Z.Q. Effect of welding current and flux-skin thickness on the physical phase and microstructure of underwater wet welding slag. Transactions of the China Welding Institution. 2017, 38, 1. P. 777-781 (на китайском).

38. Паршин С.Г. Разработки и внедрение отечественных материалов, технологий и оборудование для подводной сварки и резки //Сварка и диагностика. 2024. № 3. С. 17-22.

39. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Наноструктурированная порошковая проволока для подводной сварки. Патент РФ № 2539284 от 29.07.2013 г. Опубликовано 20.01.2015 г. Бюл. № 2.

40. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для подводной сварки сталей. Патент РФ на изобретение № 2585605 от 09.12.2014 г. Опубликовано 27.05.2016 г. Бюл. № 15.

41. Parshin S.G. Underwater wet FCA-welding of high-strength steel X70 through the use of flux-cored electrode. Welding International. 2020, 34, 1-3. P. 24-28.

42. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для подводной сварки мокрым способом. Патент РФ № 2536313 от 29.07.2014 г. Опубликовано 20.12.2014 г. Бюл. № 35.

43. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для сварки сталей под водой. Патент РФ № 2536314 от 30.07.2014 г. Бюл. № 35.

44. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для механизированной подводной сварки. Патент РФ на изобретение № 2595161 от 09.12.2014 г. Опубликовано 20.08.2016 г. Бюл. № 23.

45. Редкоземельная аустенитная порошковая проволока для подводной мокрой сварки высокопрочных сталей / С.Г. Паршин [и др.]. Патент РФ № 2792266 от 24.08.2022. Бюл. № 9.

46. Li H.L. Research on thermite assisted underwater wet welding metallurgy and arc stability of low-alloy steel. Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering. Harbin Institute of Technology. 2018. 133 p. (на китайском).

47. AWS D3.6M:2017. Underwater Welding Code. American National Standard. American National Standards Institute. 2017. 6th Edition. 132 p.

48. Гао Ю. Исследование сварочной дуги при подводной мокрой сварке покрытым электродом // Материалы международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности». 26-27 октября 2023 г. Могилев: Белорусско-Российский университет. С. 80.

49. Паршин С.Г. Исследование сварочно-технологических свойств покрытых электродов с фторидно-перовскитным покрытием для подводной мокрой сварки / С.Г. Паршин, Ю. Гао, А. О. Коротеев // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : Материалы Международной научно-технической конференции, Могилев, 25-26 апреля 2024 года. Могилев: Белорусско-Российский университет, 2024. С. 168-169.

50. Левченко А.М. Механизированная подводная сварка с применением порошковых проволок российского производства / А.М. Левченко, С.Г. Паршин, И.С. Антипов // Сварка и диагностика. 2014. № 2. С. 45-48.

51. Паршин С.Г. Отечественные порошковые проволоки серии ПП-ПС для механизированной подводной сварки сталей мокрым способом / С.Г. Паршин, И.С. Антипов // Сборник докладов юбилейного научно-практического семинара

«Металлургия сварки и сварочные материалы». Санкт-Петербург: СПбПУ, 2013. С. 84-95

52. Parshin, S.G., Levchenko, A.M. and Maystro, A.S. Metallurgical model of diffusible hydrogen and non-metallic slag inclusions in underwater wet welding of high-strength steel. Metals. 2020, 10, 1498. Р. 1-17.

53. Электрод для сварки низкоуглеродистых сталей / И.М. Савич [и др.]. Авторское свидетельство СССР № 1706821 от 13.04.1990 г. Опубликовано 23.01.1992 г. Бюл. № 3.

54. Электрод для подводной сварки / И.В. Ляховая [и др.]. Патент РФ № 2364483 от 11.05.2006 г. Опубликовано 20.11.2007 г. Бюл. № 23.

55. Электрод ручной дуговой сварки / В.В. Мурзин [и др.]. Авторское свидетельство СССР № 1549706 от 09.03.1988 г. Опубликовано 15.03.1990 г. Бюл. № 10.

56. Паршин С.Г., Гао Ю. Покрытый электрод для подводной мокрой сварки. Патент РФ на изобретение № 2825112 от 14.07.2023 г. Бюл. № 23 от 20.08.2024 г.

57. Pope A.M., and Liu S. Hydrogen content of underwater wet welds deposited by rutile and oxidizing electrodes. International Conference on Offshore Mechanics Arctic Engineering. American Society of Mechanical Engineers. 1996, 3, pp. 85-92.

58. Santos V.R., Monteiro M.J., Rizzo F.C., Barcarense A.Q., Pessoa E.C.P., Marinho R.R. and Vieira L.A. Development of an oxyrutile electrode for wet welding. Welding Journal. 2012, 91(12). P. 319-328.

59. Dos Santos V.R., Monteiro M.J., Rizzo F.C., Bracarense A.Q., Pessoa E.C.P., Reppold R., Domingues J.R., and Vieira L.A. Recent evaluation and development of electrodes for wet welding of structural ship steels. ASME 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Shanghai, China. 2010.

60. dos Santos V.R., Monteiro M.J., Bracarense A.Q., Pessoa E.C.P. Underwater welding consumables development. International Workshop on the State of the Art Science and Reliability of Underwater Welding and Inspection Technology. November 17-19, 2010 Houston, Texas, USA. P. 172-197.

61. Порошковий дргг для тдводного зварювання маловуглецевих та низьколегованих сталей на тдвищених глибинах / С.Ю. Максимов [и др.]. Патент Украши № 10980 вiд 25.03.2005 г. Опубликовано 15.12.2005 г. Бюл. № 12.

62. Порошковий дргг для тдводного зварювання маловуглецевих та низьколегованих сталей / С.Ю. Максимов [и др.]. Патент Украши № 7914 вщ 13.12.2004 г. Опубликовано 15.07.2005 г. Бюл. № 7.

63. Порошковий дргт для тдводного зварювання сталi 17Г1С / С.Ю. Максимов [и др.] . Патент Украши № 75174 вщ 11.02.2004 г. Опубликовано 15.03.2006 г. Бюл. № 3.

64. Порошковая проволока для мокрой подводной сварки высоколегированных хромоникельмолибденовых сталей типа 17-13-3 / К.А. Ющенко [и др.]. Патент UA № 34882 от 31.03.2008 г. Опубликовано 26.08.2008 г. Бюл. № 16.

65. Порошковая проволока для мокрой подводной сварки высоколегированных хромоникельмолибденовых сталей типа 17-13-3 / К.А. Ющенко [и др.]. Патент UA № 89262 от 31.03.2008 г. Опубликовано 11.01.2010 г. Бюл. № 1.

66. Состав порошковой проволоки / К.А. Ющенко [и др.].. Патент РФ № 1605451 от 28.10.1988 г. Опубликовано 27.01.1995 г. Бюл. № 3.

67. Гришанов А.А., Паньков В.И. Порошковая проволока для сварки сталей. Патент РФ № 2012470 от 12.11.1991 г. Опубликовано 15.05.1994 г.

68. Гришанов А.А., Паньков В.И. Порошковая проволока для сварки сталей. Патент РФ № 2012471 от 20.02.1992 г. Опубликовано 15.05.1994 г.

69. Паршин С.Г., Разработка редкоземельной рутил-фторидно-первоскитной системы покрытых электродов для подводной мокрой сварки / С.Г. Паршин, Ю. Гао, В.Е. Никулин, А.О. Коротеев // Сварка и диагностика. 2024. № 2. С. 37-44.

70. Шорников С.И. Исследование расплавов системы СаО-ТЮ2 масс-спектрометрическим эффузионным методом Кнудсена. Журнал физической химии. 2020. Том 94. № 7. С. 963-974.

71. Подгаецкий В.В., Кузьменко В.Г. Сварочные шлаки. Киев : Наукова Думка, 1988. 256 с.

72. Zheng J., Hu X., Ren Z., Xue X., Chou K. Solid-state Reaction Studies in Al2O3 -TiO2 System by Diffusion Couple Method. ISIJ International. 2017, 57, 10. P. 17621766.

73. Рудской А.И., Паршин С.Г. Электрохимическое удаление гидроксила и диффузионного водорода в алюмофтористых шлаках сварочных порошковых проволок // Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах. 2022. Т. 504. С. 62-66.

74. CRC Handbook of chemistry and physics. 97th edition. Editor-in-chief W.M. Haynes. CRC Press, 2017. 2641 p.

75. Parshin, S.G. Metallurgical Effect of Rare-Earth Lanthanum Fluoride and Boride in the Composite Coating of Wires in the Arc Welding of Bainitic-Martensitic and Austenitic Steel. Metals 2020, 10, 1334.

76. Оптимизация газошлаковой системы покрытых электродов системы TiO2-CaF2-Na3AlF6 для подводной мокрой сварки / С.Г. Паршин [и др.] // XIX Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века». Пенза. Март 2023 года. С. 50-52.

77. Паршин С.Г., Гао Ю. Металлургические особенности подводной дуговой сварки при диссоциации и ионизации пресной и морской воды // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Машиностроительные технологические системы», посвященную 85-летию кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства ДГТУ». Ростов-на-Дону, ДГТУ, 26-30 сентября 2023 г. С. 143-147.

78. Паршин С.Г., Гао Ю. Термодинамическое моделирование газошлаковой системы TiO2-LaF3-Na3AlF6 покрытых электродов для подводной мокрой сварки сталей повышенной прочности // Сборник трудов 15-й Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении»». Научный конгресс «Русский инженер». 1-3 ноября 2023 г. Том 2. Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана. С. 118-120.

79. Ефименко Н. Г. Редкоземельные металлы в сварочных материалах: Монография. Харьков : Коллегиум, 2017. 188 с.

80. Гао Ю., Паршин С.Г., Никулин В.Е. Сварочно-технологические свойства ферритных и аустенитных электродов для подводной мокрой сварки судостроительной стали // Сборник статей XX Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века». Пенза. Март 2024. С. 38-41.

81. Технологии подводной мокрой сварки судостроительной стали с регулируемой скоростью охлаждения / С.Г. Паршин [и др.] // Сборник материалов и докладов Всероссийской конференции, приуроченной к 75-летию ЯНЦ СО РАН 19-23 сентября 2024 г., Якутск. C. 105-106.

82. Технологии и материалы для подводной мокрой сварки высокопрочных сталей / С.Г. Паршин [и др.] // Сборник тезисов I Всероссийской научно-технической конференции им. ак. Н.П. Алешина (с международным участием), Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 11-13 ноября 2024 года. С. 9-11.

83. Паршин С.Г., Гао Ю. Разработка покрытых электродов для подводной мокрой сварки судостроительной стали // Сборник тезисов I Всероссийской научно-технической конференции им. ак. Н.П. Алешина (с международным участием), Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 11-13 ноября 2024 года. С. 7-8.

84. Ivanov S.G., Guryev M.A., Guryev A.M., Romanenko V.V. Phase analysis of boride complex diffusion layers on carbon steels using color etching. Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2020, 17, 1. P. 74-77.

85. Исследование термических циклов и упрочнение зоны термического влияния при подводной мокрой сварке судостроительной стали / В.Е. Никулин [и др.] // Сварка и диагностика. 2024. № 2. С. 18-23.

86. Остаточные напряжения и анизотропия микроструктуры при различных технологиях подводной мокрой сварки низколегированной стали / В.Е. Никулин [и др.] // Сварка и диагностика. 2024. № 3. С. 21-25.

87. Исследование сварных соединений при ручной подводной мокрой сварке покрытым электродом с рутиловой шлаковой системой / С.Г. Паршин [и др.] // XIX Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века». Пенза. Март 2023 г. С. 53-56.

88. Паршин С.Г., Гао Ю., Николаев А.С. Подводная мокрая сварка высокопрочной стали штучным электродом с покрытием системы рутил-мрамор // Материалы XIII Всероссийской научно-технической конференции «Жизненный цикл конструкционных материалов» (от получения до утилизации). Иркутск. ИНИТУ 2023 г. С. 102-106.

89. Исследование микроструктуры и свойств сварных соединений при подводной мокрой сварке электродами с редкоземельным покрытием / С.Г. Паршин [и др.] // Сварка и диагностика. 2025, № 1. С. 41-46.

УТВЕРЖДАЮ:

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы

настоящий акт составлен в том, что результаты диссертационной работы аспиранта ФГАОУ ВО «СПбПУ» Гао Юань на тему «Разработка электродов с редкоземельным покрытием для подводной мокрой сварки низколегированных сталей», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по научной специальности 2.5.8. - «Сварка, родственные процессы и технологии» внедрены в производство и используются в учебной и научной деятельности при подготовке аспирантов по направленности 15.06.0107 «Сварка, родственные процессы и технологии» по направлению подготовки 15.06.01 «Машиностроение», магистров по направлению 22.04.02 «Металлургия», бакалавров по направлению 22.03.02 «Металлургия».

Для проведения исследований и лабораторных работ используется технология производства покрытых электродов, технология подводной мокрой сварки и разработанный в диссертационной работе лабораторный стенд для автоматической подводной мокрой сварки покрытыми электродами в составе: электродержатель; резервуар; выпрямитель тока; датчики тока и напряжения; цифровой осциллограф; компьютер; шаговый двигатель с драйвером управления.

Внедрение результаты диссертационной работы аспиранта ФГАОУ ВО «СПбПУ» Гао Юань позволило улучшить качество подготовки аспирантов, магистров и бакалавров.

Директор Высшей школы физики и технологии материалов, к.т.н., доцент:

Ганин С.В.

Руководитель магистерской образовательной программы, к.т.н., доцент:

Иванова И.В.

АВТОНОМНАЯ НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ "НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЕКТОВ "ПРИОРИТЕТ" (AHO "НОЦ ТП "ПРИОРИТЕТ")

ИНН/КПП 7814818567/781401001, ОГРН 1237800010304, ОКНО 99846239, 197227, г. Санкт-Петербург, муниципальный округ Комендантский аэродром, ул. Байконурская, дом 19, _корпус 1, литера А, пом. 151__

АКТ

о внедрении покрытых электродов

Настоящий акт составлен в том, что результаты диссертационной работы Гао Ю. по теме Разработка электродов с редкоземельным покрытием для подводной мокрой сварки низколегированных сталей по научной специальности 2.5.8. - Сварка, родственные процессы и технологии, выполненной в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого внедрены и используются при ремонтных работах подводных несущих конструкций причальной обечайки из стали повышенной прочности.

Применение разработанных в диссертации покрытых электродов с редкоземельным покрытием марки ЭППС-500 диаметром 4 мм по сравнению со стандартными рутиловыми электродами позволяет обеспечить при подводной мокрой сварке на глубинах до 20 м стабильный сварочный процесс, устойчивое формирование сварного шва. Прочность швов при сварке сталей марки 09Г2С увеличилась с 410 МПа до 520 МПа, в сварных швах отсутствуют дефекты в виде пористости и шлаковых включений с размером более 1,5 мм.

В результате внедрения получен экономический эффект, который определяется объемом ремонтных подводных работ и возникает из-за увеличения производительности, сокращения времени на устранение дефектов, снижения брака и из-за увеличения прочностных характеристик сварных швов ответственных конструкций.

Директор AHO «НОЦ ТП «ПРИОРИТЕТ

Булдаков П.Ю.