№10 Физико-химических процессов в сварочной дуге

Руководитель отдела

Походня Игорь Константинович, академик НАН Украины, д.т.н., профессор

Основные направления научно-исследовательской деятельности отдела:

Фундаментальные и прикладные исследования в области физики дуговой сварки, физической металлургии и физики металлов.

Исследовательские работы:

• Физика сварочной дуги (Технологические свойства электрической сварочной дуги. Методы и критерии оценок. Термическая эмиссия из сварочных материалов. Электрически отрицательные элементы и характеристики столба дуги, реакции в приэлектродном пространстве и в столбе дуги.);
  
  
• Плавление электродного металла и перенос (Кинетика плавления покрытых электродов. Методы исследований и критерии оценок переноса электродного металла. Результаты исследований переноса электродного металла. Влияние режимов сварки, рода тока и его полярности. Влияние состава и конструкции покрытия электродов. Характеристики источников питания сварочной дуги и технологические свойства электродов.);
  
• Физические и химические процессы при нагревании электродов (Распределения тепла. Процессы в твердой фазе. Испарение электродного металла и образование сварочных аэрозолей.);
• Металлургия дуговой сварки;
• Газы в сварных швах (Взаимодействие металла с азотом. Поглощение азота металлом при его взаимодействии с плазмой дугового разряда. Роль кислорода в поглощении азота металлом.  Взаимодействие водорода с металлом. Диффузия водорода в сварном соединении, влияние химического состава металла шва, деформаций и температуры. Диффузионный водород, методы определения, влияние режимов сварки и состава электродного металла.);
• Пористость металла сварного шва (Термодинамика и кинетика образования пор; Поры в металле шва, полученном при сварке различными сварочными материалами; Водородное охрупчивание металла шва и сварного соединения; Неметаллические включения.);
• Химический состав, микроструктура и свойства сварных соединений (Влияние фосфора и серы. Влияние никеля и марганца. Влияние остаточного водорода. Ударная вязкость сварных соединений конструкционных сталей. Влияние кремния. Микроструктура и низкотемпературная хрупкость металла сварного шва. Структура сплавов железа с объемно-центрированной кристаллической решеткой, параметры деформационного упрочнения и механические свойства сварных швов. Физическая природа локального напряжения хрупкого разрушения сталей и сварных соединений.);
• Математическое и компьютерное моделирование физических и химических процессов при дуговой сварке (Математическое моделирование поведения газов в сварных швах. Механизм адгезии корки сварочного шлака. Диффузия водорода и его распределение в сварных швах. Рост газового пузырька при кристаллизации сварочной ванны. Химическая неоднородность в зоне сплавления (между основным металлом и металлом шва). Прогнозирование объемных долей микроструктуры, которое базируется на данных о химическом составе и режимах сварки. Термодинамика взаимодействия жидкого шлака с точки зрения удаления серы и фосфора из металла сварного шва. Компьютерный анализ массопереноса водорода в металле сварных швов и сталях. Механизм абсорбции водорода и азота при взаимодействии металла с низкотемпературной плазмой.);

Прикладные исследования

Разработка сварочных материалов:

• Покрытые электроды (Основы металлургии сварки. Стабильность сварочной дуги. Плавление и перенос электродного металла. Абсорбция и десорбция газов. Поведение водорода в сварных швах. Пористость сварных швов и ее предотвращение. Неметаллические включения и механические свойства метала сварного шва. Испарение металла и электродного покрытия: образование сварочных аэрозолей. Прогнозирование токсичности сварочного аэрозоля и поиск путей ее уменьшения.);
• Порошковые проволоки (Основы металлургии сварки самозащитными порошковыми проволоками и порошковыми проволоками для сварки в защитных газах. Принципы разработки составов порошковых проволок. Управление свойствами металла сварных швов.);
• Разработка проволок (Двухслойная конструкция оболочки проволоки. Проволоки рутилового и основного типов для сварки сталей с пределом текучести от 400 до 700 МПа в среде защитного газа CO2. Самозащитные порошковые проволоки основного типа, как двухслойной, так и трубчатой конструкций, для сварки низкоуглеродистый и низколегированных сталей. Самозащитные проволоки для сварки соединений на вертикальной и горизонтальной плоскости и в потолочном положении с использованием принудительного формирования металла шва.);
• Аломерированные (крамические флюсы) (Основы металлургии сварки. Технологические свойства флюсов. Окислительный потенциал флюсов. Легирование и раскисление металла шва. Отделимость корки сварочного шлака.);
• Разработка флюсов (Флюсы, обеспечивающие низкое содержание диффузионного водорода (до 3 мл/100 г). Флюсы для сварки высокопрочных низколегированных сталей. Флюсы специального назначения.).

Общая информация

История

Отдел основан в 1962 г. В целом, в отделе были подготовлены 5 докторов технических и физико-математических наук, а так же 40 кандидатов технических. и физико-математических наук. Работы сотрудников отдела были удостоены Государственных премий СССР в области науки и техники (1971 и 1978г.г.), премии Совета Министров СССР в области науки и техники (1983г), премии им.Е.О.Патона (1997г), Государственной премии Украины в области науки и техники (1999г), премии им.В.И.Вернадского фонда «Украина ХХI столетие» (2001г), премия им. Н.Н.Доброхотова НАН Украины (2006г).

Кадровый состав:

Постоянный штат отдела включает: 4 докторов технических наук, 11 кандидатов технических наук, 10 инженеров и техников, высококвалифицированных сварщиков.

Научно-лабораторная база и техническое оснащение:

При выполнении в отделе научно-исследовательских работ используются такие современные методы исследований как  масса-спектрометрия,  дифрактометрия,  термогравиметрия, инфракрасная  спектроскопия,  газовая  хроматография, микрокалориметрия, рентгенофлюоресцентный  анализ, масс-спектрометрия вторичных ионов,   микрорентгеноспектральный анализ, математическое моделирование.
Для металлографических исследований применяются  методы  оптической и   электронной  микроскопии  с  использованием  приборов Neofot и JSM-35CF.
Механические характеристики образцов определяют на универсальной испытательной  машине  Instron-1250,  оснащенной  компьютером  и специальной программой для обработки экспериментальных результатов.
Для исследования содержания водорода в сырьевых материалах и создания методов их дегазации применяетс газовый хроматограф и инфракрасный спектрометр.
Высокотемпературные превращения  в  сварочных  материалах изучаться с помощью универсального термоаналізатора.
Для создания диаграммы структурных превращений в ЗТВ  проводятся  исследования методом скоростной дилатометрии.  Особенности формирования структуры ЗТВ изучаются в  реальных  процессах сварки.
При создании сварочных материалов и технологии их изготовления  применяются  современные  методы анализа сырьевых материалов, состава и структуры сварных швов: рентгено-структурный и рентгено-спектральный методы, оптический элементный и газовый анализы.
Для изготовления  опытных  образцов сварочных материалов используется оборудование Отдела,  а  опытно-промышленные  партии изготавливаются на Опытном заводе сварочных материалов ИЭС им.Е.О.Патона.

Методы исследований:

• масс-спектроскопия;
• масс-спектроскопия вторичных ионов (МСВИ);
• сканирующая электронная микроскопия (СЭМ);
• просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);
• оптическая металлография;
• дифференциальный термический анализ и термогравиметрия;
• микрокалориметрия;
• рентгеновская диффрактометрия;
• рентгеновский структурный анализ;
• статистический анализ электрических сигналов сварочных процессов;
• высокоскоростная рентгеновская киносъемка;
• механические испытания металла сварных швов и сварных соединений;
• газовая хроматография;
• математическое и физическое моделирование сварочных процессов;
• работы по исследованию сварочных процессов, сварочных материалов и сварных соединений;
• работы по исследованию технологических процессов производства сварочных материалов (смешивание, дозировка, термическая обработка сырьевых материалов, формовка ленты для порошковых проволок, волочение проволок и др.).

Публикационная и изобретательская активность:

Области практического применения; примеры успешных проектов:

Отдел исследований физико-химических процессов в свароч­ной дуге с момента его создания отличает тесная связь с произво­дителями и потребителями сварочных материалов в нашей стране и за рубежом. Прогрессивные сварочные материалы — электроды, порошковые проволоки, флюсы, созданные в отделе, и сегодня широко внедряются и применяются на тысячах предприятий и строек Украины, России, Беларуси и других стран СНГ. Участие в проектировании оборудования, цехов и заводов для производства сварочных материалов, организация производства новых сырье­вых материалов, организация конференций, школ, симпозиумов, консультаций, разработка прогнозов в области сварочных матери­алов и предложений по совершенствованию их производства — далеко не полный перечень работ отдела Института электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, возглавляемого И.К. Походней.

Среди новых разработок:

• гамма универсальных электродов с прекрасными сварочно-технологическими свойствами и ультранизководородные электро­ды   для   сварки   высокопрочных   низколегированных   сталей;
• современные универсальные порошковые проволоки малого диаметра;
• новые агломерированные флюсы успешная реализация инновационного проекта "Организа­ция современного производства порошковой проволоки, постро­енного в соответствии с требованиями международной системы обеспечения качества продукции".

Выполнение работ по созданию современного производства отечественных агломерированных флюсов в рамках инновационного проекта «Разработка синергетических агломерированных флюсов, технологии их изготовления и организация промышленного производства».
Характеристики материалов и технологий, которые были соз­даны сотрудниками отдела в последние годы, приведе­ны в каталоге новейших разработок Института электросварки им. Е.О. Патона, изданном в 2005 году.

Национальные проекты и международное сотрудничество

В отделе выполняется большой объем исследований по программам НАН Украины «Развитие исследований физико-химических процессов дуговой сварки, создание нового поколения сварочных материалов общего и специального назначения, совершенствование технологии их производства» и «Фундаментальные проблемы создания материалов с прогнозируемыми свойствами, методов их соединения и обработки», которые выполняется в рамках работ по приоритетным направлениям развития науки и техники «Прогрессивные технологии сварки и соединения материалов», утвержденному Законом Украины №433-IV от 16.01.03р «Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні». Сотрудники отдела проводят научно-исследовательские работы по программе «Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и машин» («Ресурс»)  и внедряют полученные результаты на предприятиях Украины, проводят исследования по целевой комплексной программе «Фундаментальные проблемы водородной энергетики».
Разработки отдела в области производства высококачественных сварочных материалов внедрены на предприятиях США, ФРГ, Франции, Японии, Чехии, Словакии, Венгрии, Болгарии, Китая, Аргентины. Сотрудники отдела поддерживают многолетнии стабильные связи с ведущими профильными зарубежными научными центрами,  регулярно участвуют в международных конференциях и симпозиумах. Научные статьи, доклады, сообщения, в которых изложены  результаты работ публикуются в зарубежных журналах и сборниках докладов.

Реквизиты отдела:

Адреса: 03680 Київ 150, МСП, вул. Боженка, 11,
факс: (044) 289-86-89,
тел. (044) 287-74-79,
телеграми: Київ 5, СТИК,
телетайп : 132174, СТИК.