Assessment of welding engineering properties of basic type electrode coatings of different electrode manufacturers for welding of pipe parts and assemblies of heat exchange surfaces of boiler units

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. New grades of high-strength steels, machining and repair processes are being introduced in the power industry. At the same time manual arc welding remains the main technological process for equipment repair in conditions of thermal power plants. Welding materials used in equipment repair should provide comparable to the base metal mechanical properties of the weld. The welding industry has long faced the problem of high sensitivity of basic type electrodes to moisture absorption. High susceptibility to cold cracking caused by diffusible hydrogen and hydrogen embrittlement are major obstacles to the wider use of basic-type electrodes for high-strength steels. Hydrogen production during arc welding is the result of the presence of hydrogen in the arc atmosphere, hydrogen-contaminated filler material, or local hydrogen residues on the source material. During welding, molecular hydrogen is dislocated by the arc energy and then easily absorbed by the molten material. Currently, the welding materials market produces electrodes with basic coating of well-known and proven brands, various national and foreign manufacturers. However, in practice there are cases of cold cracks in the weld seam after welding. Purpose of work is to assess the welding and technological properties of basic type electrode coatings of different manufacturers. The work investigates specimens weld overlaid with electrodes TMU-21U, TSU-5 of different manufacturers and the content of diffusion-mobile hydrogen in the weld overlaid metal is determined. The methods of research are mechanical static tensile tests, chemical composition analysis and metallographic studies. Determination of welding-induced hydrogen content can be accomplished by various quantitative elemental analysis methods. All test methods involve welding under defined conditions followed by deep freezing of the test specimens as quickly as possible. In this way, unintended diffusion processes are inhibited and the hydrogen introduced into the weld metal is retained. Subsequently, the diffusing hydrogen is desorbed from the test specimens in a controlled manner. Results and Discussion. An assessment of welding engineering properties of the electrodes revealed unstable arc burning. Mechanical properties of the welded metal of the investigated electrodes are at the minimum permissible level from the requirements of normative documents. The concentration of hydrogen present in the arc weld metal is multifactorially dependent on the welding procedure (process and parameters, consumables used, as well as environmental conditions (e.g. humidity). For qualitative assessment, hydrogen content of more than 15 cm3/100 g is considered high and hydrogen content less than 5 cm3 ml/100 g is considered very low. Presented results. The conducted evaluation of welding engineering properties of electrodes with basic coating showed satisfactory results. Mechanical properties of the welded metal in terms of impact toughness are at the lower permissible limit, relative elongation does not meet the requirements of normative documents. The content of diffusion-mobile hydrogen in the welded metal is higher than the declared indicators by the electrode manufacturers.

About the authors

Y. I. Karlina

Email: jul.karlina@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6519-561X
Ph.D. (Engineering), National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, jul.karlina@gmail.com

R. V. Kononenko

Email: istu_politeh@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-5900-065X
Ph.D. (Engineering), Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, istu_politeh@mail.ru

M. A. Popov

Email: popovma.kvantum@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2387-9620
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, popovma.kvantum@gmail.com

F. F. Derjugin

Email: deryugin040301@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-4677-3970
Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, deryugin040301@yandex.ru

V. E. Byankin

Email: byankinve@ex.istu.edu
ORCID iD: 0009-0007-0488-2724
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, byankinve@ex.istu.edu

References

  1. РД 153-34.1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования (РТМ-1с): утв. приказом Минэнерго России от 02.07.01 № 197: введ. 01.01.2002 / ЗАО «Прочность МК». – М., 2002.
  2. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. – М.: Машиностроение, 1981. – 248 с.
  3. Гежа В.В., Могильников В.А., Мельников П.В. Экспресс-методика определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле // Вопросы материаловедения. – 2022. – № 4 (112). – С. 17–22. – doi: 10.22349/1994-6716-2022-112-4-17-22.
  4. Совершенствование технологий производства сварочных электродов / А.В. Баранов, Ю.Д. Брусницын, Д.А. Кащенко, А.А. Боков // Автоматическая сварка. – 2005. – № 12. – С. 43–44.
  5. Металлургия дуговой сварки: взаимодействие металла с газами / И.К. Походня, И.Р. Явдощин, А.П. Пальцевич, В.И. Швачко, А.С. Котельчук. – Киев: Наукова думка, 2004. – 445 с.
  6. Изучение взаимодействия компонентов сварочных материалов с жидким стеклом / В.Т. Калинников, А.И. Николаев, В.В. Рыбин, Ю.Д. Брусницын, В.А. Малышевский, В.Б. Петров // Вопросы материаловедения. – 2008. – № 3 (55). – С. 31–40.
  7. Марченко А.Е., Скорина Н.В. Влияние технологических факторов изготовления низководородных электродов на содержание водорода в наплавленном металле // Автоматическая сварка. – 2013. – № 8 – С. 14–25.
  8. Петров Г.Л. Сварочные материалы. – Л.: Машиностроение, 1972. – 280 с.
  9. Верхотуров А.Д., Бабенко Э.Г., Макиенко В.М. Методология создания сварочных материалов. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2009. – 128 с.
  10. Взаимодействие компонентов электродных покрытий с жидким стеклом при нагревании / А.И. Николаев, С.И. Печенюк, Ю.П. Семушина, В.В. Семушин, Л.Ф. Кузьмич, Д.Л. Рогачев, Н.Л. Михайлова, Ю.Д. Брусницын, В.В. Рыбин // Сварочное производство. – 2009. – № 11. – С. 13–17.
  11. Константы взаимодействия металлов с газами: справочник / под ред. Б.А. Колачева, Ю.В. Левинского. – М.: Металлургия, 1987. – 368 с.
  12. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012185. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.
  13. Индуцированные водородом холодные трещины в сварных соединениях высокопрочных низколегированных сталей (обзор) / И.К. Походня, А.В. Игнатенко, А.П. Пальцевич, В.С. Синюк // Автоматическая сварка. – 2013. – № 5. – С. 3–14.
  14. Панченко О.В. К вопросу о методах определения диффузионного водорода // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2011. – № 9. – С. 57–61.
  15. ISO 3690:2000. Welding and allied processes. Determination of hydrogen content in ferritic steel arc weld metal. – 36 p.
  16. Standard methods for the determination of diffusible hydrogen content of martensitic, bainitic, and ferritic steel weld metal produced by arc welding / American Welding Society, Committee on Filler Metal. – AWS, 1986.
  17. JIS Z 3113. Method for measurement of hydrogen evolved from deposited metal / Japanese Standards Association. – JSA, 1975. – 3 p.
  18. ГОСТ Р ИСО 2560–2023. Материалы сварочные. Электроды покрытые для ручной дуговой сварки нелегированных и мелкозернистых сталей. Классификация. – М.: Рос. ин-т стандартизации, 2023. – 36 с.
  19. Jenkins N., Hart P.H.M.H., Parker D.H. An evaluation of rapid methods for diffusible weld hydrogen // Welding Journal. – 1997. – Vol. 76 (1). – P. 1–10.
  20. Hydrogen determination in welded specimens by carrier gas hot extraction – a review on the main parameters and their effects on hydrogen measurement / M. Rhode, T. Schaupp, C. Muenster, T. Mente, T. Boellinghaus, T. Kannengiesser // Welding in the World. – 2019. – Vol. 63. – P. 511–526. – doi: 10.1007/s40194-018-0664-9.
  21. Диффузия водорода в сварных соединениях конструкционных сталей / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. – 2017. – 21(6). – С. 85–95. – doi: 10.21869/2223-1560-2017-21-6-85-95.
  22. Кархин В.А., Алдаие Я., Левченко А.М. Коэффициент диффузии водорода в свариваемых сталях // Сварка и диагностика. – 2021. – № 6. – С. 20–27.
  23. Алдаие Я., Кархин В.А., Левченко А.М. Растворимость водорода в свариваемых сталях // Сварка и диагностика. – 2022. – № 3. – С. 25–31.
  24. ГОСТ 34061-2017. Сварка и родственные процессы. Определение содержания водорода в наплавленном металле и металле шва дуговой сварки. – М.: Стандартинформ, 2020. – 31 с.
  25. СТО 02494680-0056-2007. Слоистое разрушение сварных соединений строительных сварных конструкций. Требования при проектировании, изготовлении и монтаже. Приложение Г (справочное): Определение начального содержания диффузионного водорода в металле шва методом «карандашной» спиртовой (глицериновой) пробы (краткое описание). – М.: ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова, 2007. – С. 32–33.
  26. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – doi: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.
  27. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – doi: 10.3390/app12010005.
  28. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.
  29. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – doi: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.
  30. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Yu. Skeeba, P.Yu. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – doi: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.
  31. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – C. 62–83. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.
  32. Исследование процесса автоматического управления сменой полярности тока в условиях гибридной технологии электрохимической обработки коррозионностойких сталей / М.А. Борисов, Д.В. Лобанов, А.С. Янюшкин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С.6–15. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-6-15.
  33. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – doi: 10.1007/s11015-022-01271-9.
  34. Study of mechanical properties of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 22. – P. 66–71. – doi: 10.17580/cisisr.2021.02.12.
  35. Development of rolling procedures for pipes of K55 strength class at the laboratorial mill / R.R. Adigamov, K.A. Baraboshkin, P.A. Mishnev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 24. – P. 60–66. – doi: 10.17580/cisisr.2022.02.09.
  36. Determination of rail steel structural elements via the method of atomic force microscopy / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtaiger, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 23. – P. 86–91. – doi: 10.17580/cisisr.2022.01.16.
  37. Padhy G.K., Komizo Y. Diffusible hydrogen in steel weldments: A status review // Transactions of JWRI. – 2013. – Vol. 42 (1). – P. 39–62.
  38. Mente T., Boellinghaus T., Schmitz-Niederau M. Heat treatment effects on the reduction of hydrogen in multi-layer high-strength weld joints // Welding in the World. – 2012. – Vol. 56. – P. 26–36. – doi: 10.1007/BF03321362.
  39. Schaupp T., Rhode M., Kannengiesser T. Influence of welding parameters on diffusible hydrogen content in high-strength steel welds using modified spray arc process // Welding in the World. – 2018. – Vol. 62. – P. 9–18. – doi: 10.1007/s40194-017-0535-9.
  40. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtayger, A.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012138. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.
  41. Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».