автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка автоматизированной методики определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле вакуумным методом

Панченко Олег Владиславович

'Ш

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИФФУЗИОННОГО ВОДОРОДА В НАПЛАВЛЕННОМ МЕТАЛЛЕ ВАКУУМНЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005010714

2 ое5 гт

Санкт-Петербург - 2012

005010714

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научные руководитель: доктор технических наук, профессор

Кархин Виктор Акимович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шарапов Михаил Григорьевич, кандидат технических наук . Артемьев Александр Яковлевич

Ведущая организация: ОАО «ЦНИИ Материалов»

Защита состоится «21» февраля 2012 г. в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.26 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, 1-й учебный корпус, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «18» января 2012 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Тисенко В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Диффузионный водород является одним из основных факторов образования холодных трещин в сварных соединениях. Вероятность появления холодной трещины водородного происхождения определить практически невозможно без анализа используемых сварочных материалов.

В связи с высокой опасностью влияния водорода на сварные соединения, разработка практических мер по снижению влияния диффузионного водорода на свойства металла сварных соединений, вероятно, не утратит актуальности никогда, особенно для высокопрочных марок сталей, используемых при строительстве опасных объектов. Большой вклад в исследовании поведения водорода в сварных соединениях внесли Г.Л. Петров, И.К. Походня, А.М. Левченко, Р.А. Козлов, В.В. Фролов, Н.Н. Прохоров, В.Г. Михайлов, N. Christensen, A. Million, Т. Boellinghaus.

Меры, применяемые для снижения влияния диффузионного водорода на свойства сталей, можно разделить на два класса: 1-ый класс - это превентивные меры, направленные на снижение количества водорода, способного попасть в металл в ходе сварки, 2-ой класс - это меры обработки, направленные на удаление уже попавшего водорода в металл. Обработка сварного соединения представляет собой подогрев после сварочных работ и ограничивается конструкционными возможностями, а также влиянием температуры на структуру стали, что делает меры такой обработки не всегда возможными или иногда неэффективными. Превентивные меры заключаются в снижении количества источников водорода, в том числе снижение содержания водород в сварочных материалах. Такие меры применимы вне зависимости от конструкционных особенностей и структуры свариваемой стали, применение сварочных материалов со сниженным содержанием водород возможно практически всегда.

Во многих странах принята классификация сварочных материалов по содержанию диффузионного водорода, которая отражена в стандарте ISO 2560 «Welding consumables. Covered electrodes for manual metal arc welding of non-alloy and fine grain steels. Classification», и с 2009 года в России вступил в силу гармонизированный стандарт ГОСТ Р ИСО 2560 «Материалы сварочные. Электроды покрытые для ручной дуговой сварки нелегированных и мелкозернистых сталей. Классификация». Согласно обоим стандартам электроды для ручной дуговой сварки делятся на четыре группы. К первой группе относятся электроды, содержание водорода в наплавленном металле которых менее 5 см / 100 г, эти электроды имеют индекс Н5. Ко второй - электроды, содержание водорода в наплавленном металле которых находится в интервале от 5 до 10 см3/100 г, - имеют индекс

НЮ. К третьей группе относятся электроды, содержание водорода в наплавленном металле которых находится в интервале от 10 до 15 см3/ 100 г,

- имеют индекс Н15. Четвертая группа электродов, содержание водорода в наплавленном металле которых превышает 15 см3/100 г, не имеет индекса. Использование данной классификации основывается на определении содержания диффузионного водорода в наплавленном металле при помощи ртутной методики международного стандарта ISO 3690 «Welding and allied processes. Determination of hydrogen content in ferritic steel weld metal».

В России действует ГОСТ 23338 «Сварка металлов. Методы определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и металле шва», который регламентирует использование вакуумной методики для определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле. Вакуумная и ртутная методики показывают сопоставимые значения, что свидетельствует о высокой точности вакуумной методики. Данный факт обусловлен схожестью принципа измерения. Но в отличие от ртутной методики - вакуумная безопасна для здоровья и имеет большой запас в возможности усовершенствования. Вакуумная методика признана международными классификационными обществами «Det Norske Veritas», «Germanischen Lloyd», «English Lloyd».

Несмотря на все положительные качества вакуумной методики ГОСТ 23338, на данном этапе ее развития существует ряд недостатков, которые ограничивают возможность широкого применения методики в промышленности. Основным недостатком является сложность эксплуатации существующих установок для определения содержания диффузионного водорода, так как они изготовлены из стекла. Другим важным недостатком является длительность процедуры определения содержания диффузионного водорода. На основании вакуумной методики можно создать новую усовершенствованную методику определения содержания диффузионного водорода и пересмотреть стандарт ГОСТ 23338, который в последний раз редактировался в 1991 году.

Цель работы разработка автоматизированной методики определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и создание нового прибора для его определения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Сравнить методы определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле, используемые в мире.

2. Проанализировать влияние размеров образца, времени, затрачиваемого на наплавку и подготовку образца, режимов наплавки на потери диффузионного водорода при его определении.

3. Создать математическую модель диффузии водорода в образце, учитывающую неодновременность наплавки, форму проплавления, выделение водорода через все поверхности образца.

4. Создать расчетную методику ускоренного определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле.

5. Создать прибор для определения содержания диффузионного водорода, имеющий улучшенные эксплуатационные характеристики, а также повышенную точность.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Создана математическая модель диффузии водорода в образце формы параллелепипеда, учитывающая неодновременность наплавки, форму проплавления, выделение водорода через все поверхности образца и позволяющая оптимизировать размеры образца с целью минимизации потерь диффузионного водорода до начала его измерения.

2. Создана автоматизированная методика ускоренного определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле, которая на основе решения обратной задачи массопереноса позволяет рассчитывать конечный объем выделившегося водорода по результатам измерения на начальном этапе его выделения.

Объектами исследования являлись методики определения содержания диффузионного водорода, геометрические размеры образцов, стали различного химического состава, сварочные материалы, измерители давления.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы: вакуумный и термокондуктометрический методы

определения содержания диффузионного водорода; метод решения прямой задачи массопереноса (метод источников и отражения); методы решения обратной задачи массопереноса.

Практическая ценность работы

1. Создан прибор для определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле с погрешностью измерения в 1,5 раза ниже,

чем при использовании прибора согласно существующему ГОСТ 23338 (Патент ПМ 82036).

2. Разработана методика автоматизированного определения содержания диффузионного водорода, позволяющая сократить время измерения в 3-5 раз по сравнению с существующей стандартной методикой.

3. Предложен проект стандарта на определение содержания диффузионного водорода взамен ГОСТ 23338.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель диффузии водорода в образце формы параллелепипеда, учитывающая неодновременность наплавки, форму проплавления, выделение водорода через все поверхности образца и позволяющая оптимизировать размеры образца с целью минимизации потерь диффузионного водорода до начала его измерения.

2. Расчетная методика ускоренного определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле.

3. Результаты анализа влияния размеров образца и времени от окончания наплавки до начала измерения на измеренный объем диффузионного водорода.

Апробация работы

Результаты работы были представлены научной общественности и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

1. Международная научно-техническая конференции «Сварочные материалы», ФГУП ЦНИИМ (г. Санкт-Петербург, 2009 г.).

2. 11-ая Международная научно-техническая конференция «Инженерия поверхности и реновация изделий» (г. Ялта, 2011 г.).

3. Международная конференция «Сварка и родственные технологии в современном судостроении, производстве морской техники и строительстве береговых объектов» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.).

4. Научно-практическая конференция, посвященная 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова, «Севмашвтуз» (г. Северодвинск, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, из них 2 статьи в изданиях, включегшых в перечень ВАК РФ, один патент РФ на полезную модель.

Личный вклад автора. При выполнении работ по теме диссертации автором выполнен анализ проблемы, определена цель работы и

осуществлена постановка задач исследования. Вклад автора заключается в применении математической модели для расчетов диффузии водорода из образца с наплавкой. Участие соавторов отражено в перечне публикаций, результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия авторов. Автор самостоятельно планировал и проводил эксперименты, анализировал и излагал результаты. Автором был спроектирован и изготовлен опытный образец прибора для определения диффузионного водорода.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 203 машинописных листов, включая 36 рисунка, 21 таблицу и 100 наименований библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показана научная новизна и практическая ценность, представлены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены физические процессы, обуславливающие проникновение водорода в металле: адсорбция молекул на поверхности металла, диссоциация молекул водорода на атомы, абсорбция атомов водорода поверхностным слоем. Описаны формы существования водорода в металле, приведено обоснование опасности отдельных форм.

Далее в работе приводится сравнение методик определения содержания диффузионного водорода, которое проводилось на основе литературных данных и собственных экспериментов. Приводятся корреляционные зависимости, позволяющие пересчитывать результаты измерений согласно стандартным методикам различных стран, таких как США - стандарт AWS А4.3 «Standard methods for determination of the diffusible hydrogen content of martensitic, bainitic, and ferritic steel weld metal produced by arc welding», Япония - стандарт JIS 3118 «Method for measurement of amount of hydrogen evolved from steel welds», Китай - стандарт GB-T 3965 «Method for determination of diffusible hydrogen in deposited metal», международный стандарт ISO 3690 «Welding and allied processes. Determination of hydrogen content in ferritic steel weld metal» и ГОСТ 23338 «Сварка металлов. Методы определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и металле шва».

Особое внимание было уделено международному стандарту ISO 3690:2000 и проекту стандарта на его основе Draft ISO 3690:2010, который

7

должен будет вступить в силу в ближайшее время. Основываясь на литературных данных и собственных экспериментах, проведено сравнение вакуумной методики ГОСТ 23338-91 с ртутной методикой ISO 3690:2000 и с термокондуктометрической методикой Draft ISO 3690:2010. Сравнение показало сопоставимость измерений проводимых при помощи ртутной и вакуумной методик, что свидетельствует о высокой точности вакуумной методики, так как ртутная признана Международным институтом сварки эталонной. Сравнение термокондуктометрической и вакуумной методики показало более высокую точность вакуумной методики (рис. 1).

Рис. 1. Сравнение результатов определения содержания диффузионного водорода, полученных при помощи вакуумной и других методик.

Следует отметить, что коэффициенты, приведенные на рис.1, справедливы лишь для тех условий, при которых они получены. На соотношения могут влиять чистота и количество запирающих жидкостей, размеры образцов, факторы внешних условий.

По результатам первой главы сформулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе описана разработка математической модели диффузии водорода из образца с наплавкой. Модель образца представлена в виде правильного параллелепипеда, а расчетный шов имеет плоскую поверхность (рис. 2). Высота расчетного шва в продольных сечениях равна высоте реального шва /г. Площади поперечного сечения реального и расчетного швов равны, площадь поперечного сечения расчетного шва представляется в виде набора М прямоугольников. Поверхность реального шва описывается параболой 5. Наплавка производится короткими участками заданной длины к, 4 {к = 1 ,..,К где К - общее количество участков). Водород вносится в тело

20 ,

..7 Ь Н.е- 0,95Н„; Содержание водорода, определенное

Ищ- о, в т,х при помощи --Н„г 0.78Н,Х //^.-хроматографическая методика, ////,,- ртутной методики,

0,67Н,Х я„т-термокондуктометрической методики,

Не1- глицериновой методики,

.■Нл- 0.35Н„. //оГ спиртовой методики, вакуумной методики.

■ Н9=0,в7Н„

0 5 10 15 20

Содержание водорода (вакуумный метод). см'ЛОО г

через жидкий металл и мгновенно распределяется по длине наплавки. Концентрация водорода в образце до наплавки равна нулю. Коэффициенты диффузии в горячем (О/,) и холодном (О) образце постоянны.

Рис. 2. Поперечное сечение реального образца и математическая модель образца. и’„„ Ит ,

- геометрические параметры слоев шва.

Для определения количества выделившегося водорода решались задачи массопереноса. Выделялись две задачи: прямая - по известным

коэффициентам диффузии и концентрации водорода определялось количество водорода, выделившегося в различные моменты времени, обратная - коэффициенты диффузии и концентрация водорода в действительности неизвестны, но при условии, что известно количество водорода, выделившегося в определенный момент времени, коэффициенты диффузии и концентрацию можно найти.

Постановка прямой задачи:

1. Уравнение диффузии:

ді

1д2С

д2С дх2 + ду2

д2СЛ

дг2

+ /(х,у,г, О,

где член/учитывает ввод водорода через жидкий металл шва.

2. Начальное условие (/ = 0):

С(х,у,г, 0) = 0.

3. Граничные условия:

С(0, у, г, 0 = С(Ь, у,г,Ґ) = С(х,-1¥ / 2, г, Г) =

-С(х,Ш/ 2,2,1) = С(х, у, 0, /) = С(х, у, Н, /) = 0,

где С - концентрация водорода, х, у, г - координаты в декартовой системе, /

- время, п - коэффициент диффузии, ]У, Н, Ь - ширина, толщина, длина образца (Рис. 2).

Решение прямой задачи:

т=1г=-со /-=—11

:)1'1 1>ф( ~т,г Г I I г 1>ф -■ Р'П1ГХ

г=-1,1 /=—сог=—1,1 «=-1,1 ~^к)

пию

\

/

%« = 2^-(^ + 1)(4+^)/2-(5 + 1)(4-4)/2 + 4; 0И|> = -гыт12; Рщт ~ ~(г +1 )№гг + V 2 — (.у + 1)(/гш ~ /гш) / 2 + /гт,

где Ф - интеграл ошибок, - момент выполнения Л-ого участка шва. Со -начальная концентрация водорода в наплавленном металле, г, г, л-, -переменные суммирования.

Путем интегрирования по объему образца можно определить количество оставшегося и выделившегося водорода в заданный момент.

Решение обратной задачи

Решение обратной задачи заключалось в оптимизации:

где Д/„ (и = 1,..., Ы) - время после начала измерения, то есть моменты времени, в которые известен объем выделившегося водорода А()„ (рис. 3). Для определения минимума необходимо найти такие значения С0, коэффициента диффузии в холодном образце £> и коэффициента диффузии в горячем образце £>;,, которые соответствуют оптимальному положению расчетной кривой (7(0 относительно экспериментальных точек, / - время после начала наплавки.

При помощи расчетной модели были найдены оптимальные размеры образца, которые составляют: длина: 30 мм, ширина 25 мм, толщина 8 мм. Критерием выбора оптимума были минимальные потери водорода до начала измерений, то есть минимальное значение 0о (рис. 3), которое определялось при помощи разработанной модели. Далее на основе экспериментальных данных была подтверждена целесообразность применения размеров образцов, определенных при помощи расчета.

Время поело «ачала наплавки / Рис. 3 Схема выделение водорода из образца

При помощи расчетной модели были определены потери водорода до начала измерений, которые в зависимости от времени, проходящего от окончания наплавки до начала измерений могут составлять до 10% и более от всего водорода, выделившегося с момента начала наплавки. Данный факт был подтвержден проведенными экспериментами (рис.4), где за 100% принят объем водорода, выделившийся после окончания наплавки.

Рис. 4 Измеряемое содержание водорода в зависимости от времени, проходящего от окончания наплавки до охлаждения образца в воде.

На основе математической модели создана расчетная методика ускоренного определения содержания диффузионного водорода, которая заключается в расчете коэффициентов диффузии водорода (£> и Д,), концентрации (С0) и объема (Д£2ю) по измерениям в первые 14-24 часа. В качестве примера на рис. 5 приведена кривая ее асимптота Д(2,; рассчитанная по измерениям в первые 14 часов. Данная методика позволяет сократить время измерений в 5-8 раз.

«кя/ 7Ш) 643тт* ь ,л |

| т 1

С? . 'Наг 5

<1 5 00 * 1 /

| 1

а. 400

•8

£ 300 «» зштрашнт 1

л

8 200

100 1

0 24 48 72 96

Вреш выделения /:Л, ч Рис. 5. Кривая выделения водорода во времени.

В третьей главе рассмотрено влияние химического состава стали, из которой изготовлен образец, на выделение водорода. Экспериментально показано, что химический состав стали не имеет заметного влияния на выделение водорода, так как практически весь водород выделяется через поверхность наплавки.

Рассмотрено влияние влаги в сварочных материалах на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле. Экспериментально показано, что для электродов с рутиловым покрытием высокая влажность воздуха при проведении сварки может значительно увеличить содержание водорода в наплавленном металле (рис. 6).

Рис. 6. Содержание водорода в наплавленном металле в зависимости от содержания влаги в покрытии и абсолютной влажности воздуха.

Экспериментальное определение влияния режима сварки на содержание диффузионного водорода для электродов с основным типом покрытия показало, что при совместном изменении силы сварочного тока, скорости сварки и напряжения дуги, наиболее важное значение имеет напряжение дуги. При увеличении напряжения от 21 В до 27 В происходит увеличение содержания диффузионного водорода на 1,6 см3/100 г, тогда как увеличение сварочного тока от 140 А до 240 А приводит к уменьшению содержания диффузионного водорода на 0,6 см3/100 г (рис. 7).

Обоснована технология подготовки образца к измерению содержания водорода. В качестве средства первичной очистки образца от шлака следует применять механические щетки с волокном из синтетических материалов. Промывку образца перед помещением в вакуумную камеру следует проводить в ацетоне.

Рис. 7. Содержание диффузионного водорода в зависимости от тока и напряжения при

сварке.

В четвертой главе описана разработка прибора определения содержания диффузионного водорода. Описан принцип работы разработанного прибора. На основе литературных данных обосновано применение нержавеющей стали в качестве конструкционного материала для изготовления деталей и узлов проектируемого прибора.

Исходя из возможных потерь водорода на взаимодействие с кислородом, рассчитана глубина откачки вакуумной камеры. Для снижения потерь водорода на взаимодействие с кислородом до 0,5% от общего выделившегося водорода необходимая глубина откачки составляет 0,03 мм.рт.ст.

Для измерения давления в разрабатываемом приборе использован терморезистрный датчик давления. Так как теплопроводность водорода при комнатной температуре в несколько раз превышает теплопроводность воздуха, то использование датчика давления, измерения которого

основываются на определении теплопроводности, позволяет иметь селективность по отношению к водороду.

Тарировка датчиков давления по давлению водорода показала, что погрешность измерений составляет 7,5% для сварочных материалов с содержанием менее 9 см3/100 г. Стандартная установка при определении того же содержания водорода имеет погрешность 11%. Для значений содержания водорода от 9 до 30 см3/100 г погрешность разработанного прибора - 1,8 %, стандартной установки - 3,3%. Погрешность измерений при помощи нового прибора в среднем в 1,5 раза ниже, чем при измерении стандартной установкой. Внешний вид прибора показан на рис. 8.

Рис.8.

В пятой главе приведены результаты внедрения результатов исследований. На предприятии ОАО «Центр Технологий Судостроения и Судоремонта» было проведено сравнение содержания диффузионного водорода, определенного при помощи вакуумной и спиртовой методик. Было получено соотношение: Нтс = 2,37 ■ Ны, где Ншс - содержание водорода, полученное при помощи вакуумной методики, #„/ - содержание водорода, полученное при помощи спиртовой методики. Соотношение отличается от описанного в первой главе (рис. 1) из-за разницы в условиях проведения опытов.

Создана автоматизированная методика расчетного ускоренного определения содержания диффузионного водорода и внедрена на ООО «Региональный Северо-Западный Межотраслевой Аттестационный Центр».

Прибор для определения диффузионного водорода в наплавленном металле.

Для автоматизации методики терморезисторный датчик был подключен к компьютеру и в режиме реального времени данные с датчика обрабатывались с помощью разработанной программы. По результатам измерения за заданный промежуток времени определялось содержание водорода на момент истечения пяти суток.

По результатам поведенной работы предложен проект стандарта на определение содержания диффузионного водорода взамен ГОСТ 23338.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана математическая модель диффузии водорода в образце формы параллелепипеда, учитывающая неодновременность наплавки, форму проплавления, выделение водорода через все поверхности образца, и позволяющая рассчитывать поле концентрации, объем оставшегося и выделившегося водорода в любой момент времени, мгновенные потоки водорода через поверхность образца.

2. Создана автоматизированная методика ускоренного определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле, которая на основе решения обратной задачи массопереноса позволяет рассчитывать конечный объем выделившегося водорода по результатам измерения на начальном этапе его измерения. Разработанная методика позволяет сократить время измерений в 5-8 раз по сравнению с существующей методикой.

3. Создан прибор для определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле с погрешностью измерения в 1,5 раза ниже, чем при использовании прибора согласно существующему ГОСТ 23338 (Патент ПМ 82036).

4. Сравнение вакуумной методики (ГОСТ 23338) и термокондуктометрической методики (Draft ISO 3690) показало, что результаты, получаемые при помощи вакуумной методики выше на 28%.

5. Анализ влияния размеров образца и времени от окончания наплавки до начала измерения на измеренный объем диффузионного водорода показал, что при задержках потери могут составлять до 30% от измеряемого объема водорода. Так за 5 с, проходящих после окончания наплавки до охлаждения образца, потери измеренного объема водорода могут составлять 10%.

6. Предложен оптимальный образец для определения содержания диффузионного водорода размером 30*25*8 мм.

7. Анализ влияния силы тока, скорости наплавки и напряжения дуги на содержание диффузионного водорода показал, что наиболее сильное

влияние оказывает напряжение дуги. Так при использовании электродов с основным видом покрытия рост напряжения дуги от 21 В до 27 В приводит к увеличению содержания диффузионного водорода на 35%.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Панченко О.В. Сравнение методов определения диффузионного водорода// Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2011, № 3 (130), с. 162-167.

2. Панченко О.В. К вопросу о методах определения диффузионного водорода// Известия вузов. Машиностроение, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, № 9, с. 57-61.

3. Панченко О.В., Левченко А.М., Кархин В.А. Методика определения диффузионного водорода при сварке покрытыми электродами// Сборник материалов международной научно-технической конференции «Сварочные материалы», СПбГПУ, Санкт-Петербург, 18-22 мая 2009, с. 50-54.

4. Панченко О.В. К вопросу об определении диффузионно-подвижного водорода в наплавленном металле// Сборник материалов 11-й международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий», Ассоциация технологов-машиностроителей Украины, Крым г. Ялта, 23-27 мая, 2011.

5. Панченко О.В., Левченко А.М. Создание прибора определения диффузионного водорода в наплавленном металле// Сборник тезисов международной конференции «Сварка и родственные технологии в современном судостроении, производстве морской техники и строительстве береговых объектов», Альянс сварщиков Санкт-Петербурга и Северо-западного региона, Санкт-Петербург, 20-23 сентября, с. 9.

6. Панченко О.В., Жабрев Л.А., Веретенников М.М. О методах определения диффузионного водорода// Мир сварки, 2011, № 3-4/1810, с. 14-17.

7. Пат. ПМ 82036 РФ, МПК: G01F / Устройство для определения диффузионного водорода/Левченко А.М., Кархин В.А., Панченко О.В. Патент - № 2008131019/22; Заявл. 28.07.2008; Опубл. 10.04.2009; Бюл. № 10-3 с.

Подписано в печать 11.01.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Уел. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8595Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/1563

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТИЕТ»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Разработка автоматизированной методики определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле вакуумным методом

Специальность 05.02.10 - «Сварка, родственные процессы и технологии»

На правах рукописи

Панченко Олег Владиславович

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.А. Кархин

Санкт-Петербург - 2012

Введение 5 Глава I. Особенности поведения водорода в металле. Методики

определения диффузионного водорода в наплавленном металле. 8

1.1 Проявления водород в металле 8

1.1.1 Научное обоснование проникновения водорода в металл 8

1.1.2 Процесс проникновение водорода в металл 18

1.1.3 Состояние водорода в металле 19

1.2 Определение содержания диффузионного водорода 23

1.2.1 Методики определения содержания диффузионного водорода 24

1.2.2 Сравнение методик определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле 26

1.2.3 Результаты испытаний на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле 33

1.3 Цель работы, постановка задач исследования 34

1.4 Выводы по главе 3 5

Глава II. Математическое моделирование диффузии водорода 37

2.1 Влияние типа образцов для определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле. 37

2.2 Влияние размеров образца для наплавки на содержание диффузионного водорода 38

2.3 Влияние времени проходящего от момента окончания сварки до момента принудительного охлаждения образца на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле 53

2.4 Расчетная методика ускоренного определения содержания диффузионного водорода 60

2.5 Выводы по главе 64

Глава III. Исследование влияния технологических параметров сварочных материалов, процессов подготовки образцов, сварки и обработки образцов после сварки на содержание диффузионного водорода 65

3.1 Влияние используемого материала образца для наплавки на определение содержание диффузионного водорода 65

3.2 Влияние технологических свойств сварочных материалов на содержание диффузионного водорода 71

3.3 Влияние охлаждения образца во время сварки на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле 75

3.4 Влияние режима сварки на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле 77

3.5 Технология очистки образца после сварки 82

3.6 Выводы по главе 85

Глава IV. Разработка проекта и создание прибора для определения диффузионного водорода 88

4.1 Разработка проекта прибора для определения диффузионного водорода 88

4.1.1 Обоснование принципа работы прибора для определения диффузионного водорода. Блок-схема прибора 89

4.1.2 Выбор материалов для изготовления прибора 91

4.1.3 Расчет глубины откачки системы 92

4.1.4 Средства измерения вакуума и давления водорода 93

4.1.5 Разработка и выпуск конструкторской документации 96

4.2 Изготовление опытного образца прибора 98

4.3 Тарировка датчиков давления 102

4.4 Методика определения содержания диффузионного водорода

при помощи созданного прибора 108

4.5 Выводы по главе

110

Глава V. Внедрение результатов диссертационного исследования 112

5.1 Опытно производственное внедрение результатов 112 диссертационного исследования в ОАО «ЦТСС»

5.2 Опытно производственное внедрение результатов 113 диссертационного исследования в ООО «РСЗ МАЦ»

Выводы по проведенной работе 114

Список используемой литературы 116

Приложение А. Программа расчета диффузии водорода из образца (приложение на 62 листах) 124

Приложение Б. Комплект конструкторской документации (приложение на 8 листах) 187

Приложение В. Проект стандарта на определение содержания диффузионного водорода в наплавленном металле (приложение на 8 листах) 195

Приложение Г. Копия акта внедрения результатов диссертационной 203 работы ОАО «ЦТСС» (приложение на 1 листе)

Приложение Д. Копия акта внедрения результатов диссертационной 204 работы ООО «РСЗ МАЦ» (приложение на 1 листе)

Введение

Диффузионный водород является одним из основных факторов образования холодных трещин в сварных соединениях. Вероятность появления холодной трещины водородного происхождения определить практически невозможно без анализа используемых сварочных материалов.

В связи с высокой опасностью влияния водорода на сварные соединения, разработка практических мер по снижению влияния диффузионного водорода на свойства металла сварных соединений, вероятно, не утратит актуальности никогда, особенно для высокопрочных марок сталей, используемых при строительстве опасных объектов. Большой вклад в исследовании влияния диффузионного водорода на свойства сталей внесли Г.Л. Петров, И.К. Походня, A.M. Левченко, P.A. Козлов, В.В. Фролов, H.H. Прохоров, В.Г. Михайлов, N. Christensen, А. Million, Т. Boellinghaus.

Меры, применяемые для снижения влияния диффузионного водорода на свойства сталей, можно разделить на два класса: 1-ыи класс - это превентивные меры, направленные на снижение количества водорода, способного попасть в металл в ходе сварки, 2-ой класс - это меры обработки, направленные на удаление уже попавшего водорода в металл. Обработка сварного соединения представляет собой подогрев после сварочных работ и ограничивается конструкционными возможностями, а также влиянием температуры на структуру стали, что делает меры такой обработки не всегда возможными или иногда неэффективными. Превентивные меры заключаются в снижении количества источников водорода, в том числе снижение содержания водород в сварочных материалах. Такие меры применимы вне зависимости от конструкционных особенностей и структуры свариваемой стали, применение сварочных материалов со сниженным содержанием водорода возможно практически всегда.

Во многих странах принята классификация сварочных материалов по содержанию диффузионного водорода, которая отражена в стандарте ISO

2560 «Welding consumables. Covered electrodes for manual metal arc welding of non-alloy and fine grain steels. Classification», и с 2009 года в России вступил в силу гармонизированный стандарт ГОСТ Р ИСО 2560 «Материалы сварочные. Электроды покрытые для ручной дуговой сварки нелегированных и мелкозернистых сталей. Классификация». Согласно обоим стандартам электроды для ручной дуговой сварки делятся на четыре группы. К первой группе относятся электроды, содержание водорода в наплавленном металле которых менее 5 см3/ 100 г, эти электроды имеют индекс Н5. Ко второй -электроды, содержание водорода в наплавленном металле которых находится в пределе от 5 до 10 см3/ 100 г, - имеют индекс НЮ. К третьей группе относятся электроды, содержание водорода в наплавленном металле которых находится в пределе от 10 до 15 см3/ 100 г, - имеют индекс HI5. Четвертая группа - электроды, содержание водорода в наплавленном металле которых превышает 15 см/100 г, не имеет индекса. Использование данной классификации основывается на определении содержания диффузионного водорода в наплавленном металле при помощи ртутной методики международного стандарта ISO 3690 «Welding and allied processes. Determination of hydrogen content in ferritic steel weld metal.».

В России действует ГОСТ 23338 «Сварка металлов. Методы определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и металле шва», который регламентирует использование вакуумной методики для определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле. Вакуумная и ртутная методики показывают сопоставимые значения, что свидетельствует о высокой точности вакуумной методики. Данный факт возможен благодаря схожести принципа измерения. Но в отличие от ртутной методики - вакуумная безопасна для здоровья и имеет большой запас в возможности усовершенствования. Вакуумная методика признана международными классификационными обществами «Det Norske Veritas», «Germanischen Lloyd», «English Lloyd».

Несмотря на все положительные качества вакуумной методики ГОСТ 23338, на данном этапе ее развития существует ряд недостатков, которые ограничивают возможность широкого применения методики в промышленности. Основным недостатком является сложность эксплуатации существующих установок для определения содержания диффузионного водорода, так как они изготовлены из стекла. Другим важным недостатком является длительность процедуры определения содержания диффузионного водорода. На основании вакуумной методики можно создать новую усовершенствованную методику определения содержания диффузионного водорода и пересмотреть стандарт ГОСТ 23338, который в последний раз редактировался в 1991 году.

Целью работы являлась разработка автоматизированной методики определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и создание нового прибора для его определения.

Задачи поставленные перед исследованием:

1. Сравнение используемых в мире методов определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле.

2. Анализ влияния размеров образца, времени, затрачиваемого на наплавку и подготовку образца, режимов наплавки на потери диффузионного водорода при его определении.

3. Создание математической модели диффузии водорода в образце, учитывающую неодновременность наплавки, форму проплавления, выделение водорода через все поверхности образца.

4. Создание расчетной методики ускоренного определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле.

5. Создание прибора для определения содержания диффузионного водорода, имеющего улучшенные характеристики эксплуатации, а также повышенную точность.

Глава I. Особенности поведения водорода в металле Методики определения диффузионного водорода

1.1 Проявление водорода в металле

Как известно из мировой инженерной практики, водород в конструкционных материалах приводит к ухудшению свойств этих материалов. Главным образом, водород снижает прочностные свойства материалов, а иногда приводит к их разрушению. Например, одной из основных причин появления холодных трещин в конструкционных сталях является именно водород.

Источники появления водорода в металлах могут быть различного рода: водород может попадать в металл при изготовлении или при обработке. Для конструкционных сталей процесс их изготовления редко приводит водородному насыщению и изменению технологических свойств материалов. Гораздо чаще появление водорода в стали связано с процессами эксплуатации конструкционного материала в агрессивных условиях или при получении неразъемных соединений - процессах сварки. Тема данной работы посвящена определению содержания водорода в наплавленном металле.

1.1.1 Научное обоснование проникновения водорода в металл

Схематично процесс проникновения водорода из газовой фазы в металл представляют состоящим из нескольких этапов [1]:

• конденсации газообразного водорода на поверхности металла -адсорбции;

• диссоциации на поверхности молекул на отдельные атомы -активированной адсорбции, хемосорбции (управляется химическими силами связи атомов водорода с атомами металла);

• перехода атомов через поверхность внутрь металла (растворение газа в металле);

• диффузии атомов водорода от поверхности в глубь металла.

Если рассматривать явление проницаемости, то есть переход газообразного водорода из одного объема в другой через преграду из металлической мембраны, то необходимо добавить еще следующее:

• переход атомов из объема металла на поверхность (на стороне низкого давления);

• рекомбинация атомов на поверхности металла в молекулы;

• десорбция молекулярного водорода с поверхности и перехода его в газообразную фазу.

Скорость процесса проникновения водорода в металл определяется самым медленным из первых четырех этапов. При этом самым медленным может быть любой из этих этапов в зависимости от условий эксперимента.

При низких давлениях газообразного водорода самый медленный этап — адсорбция, так как площадь поверхности, покрытой адсорбированными молекулами, прямо пропорциональна давлению водорода в газовой фазе [1, 2].

При достаточно низких температурах проникновение водорода тормозится вторым этапом, то есть диссоциацией адсорбированных молекул на атомы. Как указывалось выше, термическая диссоциация газообразного водорода при повышенных температурах не может служить достаточным источником атомарного водорода для заметного насыщения им металла.

Диссоциация молекул в процессе хемосорбции (второй этап) облегчается, существованием химических сил связи металлов с водородом. При повышенных температурах и давлениях, когда создается достаточная

концентрация атомарного водорода на поверхности, скорость проникновения и проницаемости определяется коэффициентами диффузии водорода. Это подтверждается прямой зависимостью скорости проникновения водорода через металлическую преграду от толщины преграды.

При насыщении металлов водородом в процессе различных электролитических операций (гальванические покрытия, травление) водород поступает на поверхность металла в ионизированном состоянии, где протекает реакция:

Н++е- оЯ

Образовавшийся атомарный водород частично адсорбируется поверхностью и переходит внутрь металла, растворяясь в нем.

Электролитическим методом при низких температурах (+20° С) можно достигнуть значительного насыщения водородом поверхностных слоев металла. Это происходит потому, что при катодном выделении водород находится у поверхности металла. Там может создаться такая концентрация ионов водорода, которая эквивалентна тысячам атмосфер давления газообразного водорода при повышенных температурах [1].

Опыты по электролитическому насыщению стали водородом при низких температурах подтверждают, что недостаточное насыщение стали водородом при тех же низких температурах, но из газовой фазы, обусловлено не малой подвижностью атомов водорода в кристаллической решетке металла, а поверхностными адсорбционными явлениями.

Адсорбция водорода поверхностью металла

Природа связи поверхностных атомов тела с частицами газа различна, но в целом адсорбцию можно описать двумя типами взаимодействий: физическое и химическое взаимодействие.

Физическая адсорбция не требует энергии активации, поэтому скорость такого вида адсорбции чрезвычайно велика. Энергия физической адсорбции не зависит от поверхности и определяется адсорбируемым газом. Поверхность может заполняться одним или несколькими слоями адсорбируемых молекул газа, а взаимодействие между частицами происходит благодаря силам Ван-дер-Ваальса.

При химической адсорбции между поверхностными атомами и частицами адсорбируемого газа возникают силы химического взаимодействия. При химических взаимодействиях всегда происходит обмен электронами, поэтому этот процесс специфичен для каждого вида и состава поверхности и газа. Как многие химические реакции, химическая адсорбция для своего возникновения требует энергии активации, что влечет за собой зависимость скорости адсорбции от температуры. Химическая адсорбция может быть исключительно мономолекулярной, поэтому протекание адсорбционно-десорбционных процессов очень сильно зависит от степени заполнения поверхности, то есть доли поверхности покрытой адсорбированными частицами.

Для качественного объяснения взаимодействия металлов и газов необходимо воспользоваться гипотезой, предполагающей обмен электронов между адсорбированной частицей газа и поверхностью металла. Тогда связь частиц газа с поверхностью переходных металлов (Ре, Со, № и т.д.) осуществляется электронами незаполненной ¿¿-зоны металла. Характер этой связи преимущественно ковалентный. Доля ионной связи оценивается примерно 7-8% [3]. Молекулы водорода при хемосорбции на переходных металлах диссоциируют на атомы, неспаренные электроны отдельных атомов связываются с электронами ¿/-зоны, заполняя в ней дырки. По мере заполнения дырок уменьшается парамагнитная восприимчивость металла. Путем измерения намагниченности никеля по мере заполнения поверхности

хемосорбированным водородом было установлено исчезновение двух дырок в ¿/-зоне никеля на одну молекулу адсорбированного водорода [3].

Результаты исследований адсорбционных процессов показали существование двух принципиально отличающихся механизмов адсорбции. Адсорбция, наблюдаемая при низких температурах (78 К) очень быстрая, практически неактивированная является хемосорбцией. Ее скорость пропорциональна корню квадратному от давления, что свидетельствует о диссоциации молекулы на поверхности железа [3,4]. Хемосорбция водорода на поверхности железных пленок при температуре ниже 140 К сопровождается поглощением газа. Скорость процесса постепенно падает, следовательно, энергия его активации медленно растет с у