САМОЗАЩИТНАЯ ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2006 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к порошковым проволокам для механизированной сварки открытой дугой конструкций из аустенитных хромоникелевых сталей, работающих в условиях, когда к металлу сварного шва предъявляются высокие требования по стойкости к межкристаллитной коррозии.

Известна самозащитная порошковая проволока [1] для сварки кислотостойких сталей типа Х18Н10Т, состоящий из малоуглеродистой стальной оболочки и сердечника из порошкообразной шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%:

Рутил - 15-18

Плавиковый шпат - 16-20

Мрамор - 3-5

Ферротитан - 4-8

Ферромарганец - 2-4

Ферросилиций - 2-4

Однофазный дисперсный нихром - 51-58

Данная самозащитная порошковая проволока (ПП) для сварки открытой дугой объектов химического машиностроения за счет указанных компонентов шихты и их соотношений обеспечивает достаточно высокие сварочно-технологические свойства проволоки: высокую стабильность горения дуги, хорошее формирование сварного шва и легкую отделимость шлаковой корки, удовлетворительную защиту сварочной ванны при достаточном легировании металла шва хромом и никелем за счет введения в состав шихты порошка нихрома.

Однако из-за использования в качестве оболочки ленты из малоуглеродистой или низколегированной стали и содержания в шихте однофазного дисперсного нихрома, который сильно сепарирует в сердечнике и, кроме того, дорого стоит проволока не обеспечивает высокой производительности сварки, однородности металла шва ввиду неравномерного распределения основных легирующих компонентов хрома и никеля и, как следствие, жестких требований к межкристаллитной коррозии (МКК), высоких прочностных и вязкопластических свойств сварного соединения из-за различий по химсоставу металла шва и металла основы.

Известна также порошковая проволока [2] для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в среде защитных газов 80% Ar + 20% CO₂ и чистом CO₂, содержащая оболочку из аустенитной хромоникелевой стали и порошкообразную шихту при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:

Азот - 0,05-0,30

Рутил - 4,0-8,0

Двуокись кремния - 0,3-3,0

Окись алюминия - 0,05-1,5

Металлический фторид - 0,05-0,7

Двуокись циркония <0,5

Металлический карбонат ≤1,0

Оболочка из нержавеющей стали - остальное.

Такой состав порошковой проволоки для сварки конструкций из аустенитных хромоникелевых сталей по сравнению с предыдущим аналогом позволяет улучшить сварочно-технологические свойства проволоки, достичь более высокой идентичности металла шва основному металлу, более равномерного распределения легирующих элементов хрома и никеля, расширения ферритной фазы, за счет чего повышается стойкость сварного соединения к межкристаллитной и общей коррозии, а также повысить качество металла шва (в том числе механические характеристики), экономичность и производительность сварки за счет использования оболочки из аустенитной хромоникелевой стали.

Недостатком состава данной порошковой проволоки-прототипа является недостаточное содержание шлакогазообразующих компонентов, а именно рутила, плавиковый шпат и мрамор отсутствуют. Это определяет необходимость использования дополнительной газовой защиты - 80% Ar + 20% СО₂ или CO₂, что усложняет процесс сварки, особенно в монтажных условиях - на открытых площадках, когда струя защитного газа не может осуществлять оптимальную защиту сварочной ванны вследствие влияния воздействий окружающей среды (ветра, дождя и пр.). В таких условиях характерно появление поверхностных и внутренних дефектов в шве - пор, свищей и др. То есть данная порошковая проволока не может применяться при сварке на открытых площадках без сооружения громоздких защитных сооружений (палаток, цехов). Кроме того, отсутствие в шихте порошковой проволоки-прототипа источников легирующих хрома, никеля, марганца, титана - хрома металлического, окиси хрома, порошка никелевого, ферросиликомарганца, ферротитана, феррованадия и феррониобия приводит к недостаточному легированию сварного шва, что снижает стойкость к межкристаллитной коррозии и ухудшает прочностные и вязкопластические свойства металла шва.

Известен ближайший по достигаемому результату к заявляемому состав [3] порошковой проволоки (ПП) для механизированной электродуговой сварки коррозионно-стойких высоколегированных хромоникелевых сталей типа 18-10, используемых в химическом, пищевом машиностроении, нефтехиммашиностроении и др. отраслях промышленности. Данная порошковая проволока состоит из оболочки, изготовленной из нержавеющей хромистой стали с содержанием углерода 0,01-0,025%, хрома 24,0-27,0% и шихты. Шихта порошковой проволоки содержит, мас.%:

Электролитический никель - 30,0-54,0

Металлический марганец - 1,5-15,0

Феррониобий - 2,0-7,0

Рутил - 5,0-25,0

Плавиковый шпат - 5,0-25,0

Магнезит - 5,0-20,0

Гексафторсиликат натрия - 0,6-3,0

Калий-натриевая силиканая глыба - 0,5-4,0

Феррованадий - 0,6-5,0

Оксид хрома - 0,6-5,0

В составе шихты ПП дополнительно содержится металлический хром в количестве 1,0-16,0 мас.%, коэффициент заполнения ПП составляет 20,0-30,0 мас.%.

Этот состав ПП для сварки конструкций из аустенитных хромоникелевых сталей по сравнению с предыдущим аналогом позволяет достигать менее высокую идентичность металла шва основному металлу и равномерность распределения легирующих элементов хрома и никеля за счет применения низкоуглеродистой хромистой оболочки вместо оболочки из аустенитной хромоникелевой стали, но обеспечивает более высокую стойкость сварного соединения к общей и межкристаллитной коррозии (МКК) за счет комплексного легирования металла шва через шихту сердечника проволоки никелем, ниобием, ванадием в сочетании с введением в шлаковую систему окиси хрома, хорошие сварочно-технологические свойства при сварке во всех пространственных положениях со свободным формированием металла шва за счет получения проволоки малого диаметра 0,8-1,6 мм. Кроме того, содержание в шихте ПП достаточного количества газошлакообразующих компонентов обеспечивает проведение сварочных работ открытой дугой.

Недостатком состава ПП-прототипа является повышенный расход дорогостоящего компонента - никеля, который, находясь в шихте ПП в количестве 30-54%, выгорает гораздо сильнее, чем при его содержании в оболочке - снижается производительность сварочных работ и уменьшается экономический эффект; также наблюдается неравномерность распределения хрома и никеля в металле сварного шва за счет содержания хрома в ленте, а никеля - в шихте. При введении указанного количества никеля в шихту данной порошковой проволоки заполнение проволоки газошлакообразующими компонентами недостаточно, не обеспечивает надежной защиты сварочной ванны от внешних воздействий (дождя, снега, ветра и пр.) в монтажных условиях и может приводить к образованию в шве внутренних и выходящих на поверхность дефектов типа пор, свищей и проч. Отсутствие в шихте ПП-прототипа ферротитана определяет неоднородность металла шва и основного металла, а также ведет к снижению вязкопластических свойств сварного соединения и стойкости к общей и МКК.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стойкости металла шва к общей и межкристаллитной коррозии в агрессивных и химически активных средах, прочностных и вязкопластических свойств металла шва, улучшение сварочно-технологических свойств.

Технический результат достигается тем, что самозащитная порошковая проволока для сварки аустенитных хромоникелевых сталей, состоящая из нержавеющей стальной оболочки и порошкообразного сердечника, содержащего рутиловый концентрат, плавиково-шпатовый концентрат, окись хрома, хром металлический, порошок никелевый, феррониобий, феррованадий, согласно изобретению отличается тем, что стальная оболочка выполнена из ленты из аустенитной хромоникелевой стали, а ее концы на стыке перекрывают друг друга, сердечник дополнительно содержит ферросиликомарганец, мрамор, ферротитан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Рутиловый концентрат 32,0-38,0

Плавиково-шпатовый концентрат 24,0-32,0

Окись хрома 1,0-7,0

Хром металлический 5,0-12,0

Порошок никелевый 0,5-5,0

Ферросиликомарганец 4,5-7,0

Мрамор 7,0-13,0

Ферротитан 3,0-9,0

Феррониобий 2,0-7,0

Феррованадий 0,6-5,0

Низкое содержание углерода при использовании ленты из стали 04Х18Н10Т (AISI 304L) позволяет получить хромоникелевый металл шва с содержанием углерода не более 0,07%, в то время как при применении стальной углеродистой оболочки из стали 08КП, 10ПС содержание углерода в наплавленном металле может достигнуть 0,12%. Низкое содержание углерода в сочетании с дополнительной стабилизацией ниобием за счет содержания в шихте ПП феррониобия в количестве 2,0-7,0 мас.% резко повышает стойкость металла шва против общей и межкристаллитной коррозии. Пределы по легированию наплавленного металла (шва) ниобием выбраны из расчета выполнения следующего соотношения: Nb≥8·C, т.е. содержание ниобия должно в восемь раз превосходить содержание углерода в наплавленном металле (шва). При содержании феррониобия в шихте ПП менее 2,0 мас.%, что соответствует содержанию ниобия в наплавленном металле менее 0,3 мас.%, соотношение Nb≥8·C выполняться не будет, т.е. эффект стабилизации реализуется не полностью и стойкость металла шва против МКК снижается. Введение в ПП феррониобия более 7,0 мас.% нецелесообразно по экономическим причинам. Еще в большей мере стойкость металла шва против МКК повышается при дополнительном введении в проволоку феррованадия в количестве 0,5-5,0 мас.%. Причем при раздельном введении феррониобия либо феррованадия в количествах больше, чем при совместном их введении, степень стабилизации недостаточна.

При содержании феррованадия в проволоке в количестве менее 0,6 мас.% влияние его на степень стабилизации и, следовательно, повышение стойкости металла шва против МКК незначительно. Введение феррованадия в проволоку более 5,0 мас.% не является необходимым как с точки зрения его влияния на повышение коррозионной стойкости, так и по экономическим причинам. Кроме того, одновременное введение феррованадия более 5,0 мас.% и феррониобия более 7,0 мас.% может привести к снижению пластических свойств металла шва и, как следствие, понижению деформационной способности сварного соединения, т.е. к уменьшению угла загиба, а также к снижению ударной вязкости. Влияние ванадия на повышение стойкости металла шва против МКК проявляется не только в связывании углерода и уменьшении выделения карбидов хрома из твердого раствора. Ванадий, находясь в твердом растворе, повышает скорость диффузии хрома в аустените, способствуя быстрейшему выравниванию концентрации хрома по телу зерна при выделении карбидов хрома в критическом интервале температур, тем самым оказывая благоприятное влияние на повышение стойкости металла шва против МКК.

При использовании в качестве оболочки ленты из аустенитной хромоникелевой стали типа 18-10 (04Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и др.) легирование сварного шва хромом и никелем осуществляется либо полностью оболочкой, либо незначительная часть хрома и никеля долегируется шихтой, содержащей хром в количестве 5,0-12,0 мас.% и никель в количестве 0,5-5,0 мас.%, т.е. обеспечение в наплавленном металле хрома в количестве 18,0-23,0 мас.% и никеля 9,0-12% происходит в основном за счет оболочки, что способствует повышению степени надежности легирования хромом и никелем, следовательно, повышению надежности коррозионной стойкости металла шва. Таким образом, даже случайное изменение коэффициента заполнения ПП не сможет вызвать резкого уменьшения содержания хрома и никеля в наплавленном металле, т.е. повышается равномерность легирования и, следовательно, общая коррозионная стойкость.

Введение в шихту хрома металлического и порошка никелевого позволяют долегировать сварной шов через шихту основными легирующими элементами - хромом и никелем, что повышает стойкость сварного шва к межкристаллитной и общей коррозии. Особенно важное значение, в данном случае, играет легирование хромом, так как этот элемент подвержен сильному выгоранию в процессе сварки.

Введение в состав шихты окиси хрома в указанных количествах позволяет снизить выгорание (окисление) хрома, что обеспечивает стойкость шва к межкристаллитной и общей коррозии. Хром, являясь сильным ферритизатором, способствует расширению ферритной фазы. Содержание в шихте ПП оксида хрома в количестве менее 1 мас.% не оказывает влияния на повышение коэффициента перехода хрома в металл шва, введение более 7% не обеспечивает необходимых физико-химических свойств шлака из-за увеличения концентрации окиси хрома в шлаке, ухудшает сварочно-технологические свойства ПП. Кроме того, оксид хрома имеет хлопьевидное состояние, малую удельную массу из-за чего не очень сыпуч, поэтому в больших количествах создает проблемы при изготовлении ПП. Одновременно при оптимальном содержании оксида хрома в составе ПП (1,0-7,0%) улучшается отделение шлаковой корки, устраняется пригар.

Применение аустенитной хромоникелевой оболочки наряду с комплексным легированием наплавленного металла ниобием и ванадием в сочетании с введением в шлаковую систему оксида хрома обеспечивает наиболее полную степень стабилизации металла шва, что способствует наибольшей стойкости его против межкристаллитной и общей коррозии.

Наличие в шихте сердечника ПП рутилового концентрата в указанных количествах в отличие от проволоки-прототипа обеспечивает легкое отделение шлака от поверхности сварного шва, высокую стабильность горения дуги и полное покрытие шва шлаком. Уменьшение содержания этого компонента ниже указанных нижних пределов приведет к нарушению стабильности горения дуги и увеличению разбрызгивания электродного металла.

Присутствие в шихте порошковой проволоки мрамора в указанных количествах улучшает формирование шва и его газовую и шлаковую защиту, стабилизирует процесс сварки. При уменьшении содержания данного компонента в шихте ниже нижнего предела увеличивает склонность к возникновению пор в металле шва, приводящих к снижению прочности сварного соединения, к нарушению стабильности процесса сварки, а при увеличении его содержания более верхнего предела увеличивается содержание вредных для организма человека соединений.

Содержание в шихте порошковой проволоки плавикового шпата в указанных количествах определяет более полное покрытие шва шлаком, обеспечивает газовую защиту сварочной ванны. При уменьшении ниже нижнего предела содержания данного компонента ухудшается шлакогазовая защита сварочной ванны. При увеличении содержания выше верхнего предела ухудшается стабильность горения дуги и увеличивается количество выделений вредных сварочных аэрозолей.

Указанное содержание рутила, плавикового шпата, мрамора и оксида хрома обеспечивают отличные сварочно-технологические свойства ПП - хорошее формирование шва, легкую отделимость шлаковой корки, высокую стойкость против пористости, стабильное горение дуги при сварке со свободным формированием металла шва во всех пространственных положениях высоколегированных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей при низкой стоимости и недифицитности этих компонентов.

Указанные количества ферросиликомарганца взяты из расчета обеспечения высоких механических свойств металла шва при временном сопротивлении разрыву не менее 490 Н/мм² (МПа), высокого качества шва и повышения стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин. Снижение содержания этих компонентов в шихте менее нижних пределов приводит к снижению прочности сварного соединения, а увеличение более верхнего предела - к снижению пластичности металла шва и, как следствие, к образованию горячих трещин. Использование ферросиликомарганца вместо ферросилиция и ферромарганца увеличивает однородность металла шва.

Содержание ферротитана в шихте сердечника порошковой проволоки, а также в ленте в указанных количествах обеспечивает легирование металла шва титаном, что определяет однородность химсостава металла шва и основного металла в зависимости от марки применяемого основного металла, а также повышение его прочностных и вязкопластических свойств. Титан является ферритизатором, поэтому позволяет расширить ферритную фазу и обеспечить высокую коррозионную стойкость сварного соединения.

Суммарное влияние всех элементов-ферритизаторов позволяет получить ферритную фазу 3-10%, что определяет максимальную стойкость сварного шва к межкристаллитной коррозии.

Сопоставительный анализ заявленной порошковой проволоки с проволокой-прототипом показал, что первая отличается от известной материалом используемой ленты и содержанием новых компонентов сердечника, а именно ферросиликомарганца, мрамора и ферротитана, а также количеством компонентов шихты проволоки.

Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».

Анализ других известных составов порошковых проволок, используемых для механизированной сварки конструкций из нержавеющих хромоникелевых сталей, показал, что заявленное изобретение вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Применение заявленного изобретения для изготовления ответственных сварных конструкций из коррозионно-стойких хромоникелевых сталей, работающих в химически агрессивных средах, обеспечивает ему соответствие критерию «промышленная применимость».

Таким образом, предлагаемая самозащитная порошковая проволока для сварки аустенитных хромоникелевых сталей позволяет повысить коррозионную стойкость металла шва, в особенности стойкость шва к межкристаллитной коррозии, прочностные и вязкопластические свойства сварных конструкций при работе в химически активных средах, производить сварочные работы на открытых площадках, что приводит к повышению надежности эксплуатации сварных соединений конструкций, работающих в данных условиях, при получении значительного экономического эффекта по сравнению с прототипом.

Пример конкретного выполнения порошковой проволоки

Были изготовлены различные варианты порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей (см. табл.1), содержащей компоненты состава шихты, приведенные выше в пределах упомянутых процентных диапазонов. Результаты испытаний данных вариантов отражены в табл.2, сравнивались с результатами испытаний вариантов проволоки-прототипа (см. описание изобретения проволоки-прототипа, табл.4, 5).

Таблица 1№ п/пКомпонент шихтыСостав шихты порошковой проволоки, мас.%вар.1вар.2вар.3вар.4вар.51Рутиловый концентрат32,034,032,035,038,02Плавиковый шпат32,027,024,026,024,03Окись хрома1,04,53,54,07,04Хром металлический12,06,07,06,05,05Порошок никелевый0,51,52,55,03,76Ферросиликомарганец4,55,04,57,04,77Мрамор7,08,013,07,08,08Ферротитан3,03,59,03,05,09Феррониобий5,07,02,02,04,010Феррованадий3,03,52,55,00,6Суммарное содержание компонентов, %100100100100100

Таблица 2
Стойкость металла шва против общей коррозии и МКК№ вариантаОбщая коррозионная стойкость потери веса, г/м²·чСтойкость против МКК, метод «AM»50%, 80°С50%, кип.65%, 80°СПровоцирующий нагрев, 650°С, 2 чПосле сварки10,00920,11720,0127ОбеспечиваетОбеспечивает 0,00950,11830,0133  20,01120,11950,0147ОбеспечиваетОбеспечивает 0,01170,11970,0151  30,01050,11760,0132ОбеспечиваетОбеспечивает 0,01040,11770,0129  40,01420,23750,0405ОбеспечиваетОбеспечивает 0,01570,25780,0401  50,01000,11540,0130ОбеспечиваетОбеспечивает 0,00970,11650,0131  Примечание: Время испытаний на общую коррозионную стойкость 100 ч.

Как видно из таблицы 1, 2, предлагаемая порошковая проволока обладает более высокой стойкостью к общей и межкристаллитной коррозии, по сравнению с проволокой-прототипом.

Применение изобретения целесообразно при выполнении сварочных работ на монтаже объектов нефтехиммашиностроения, химического машиностроения, атомной энергетики и в других отраслях промышленности. Порошковая проволока рекомендуется в первую очередь взамен электродов ЦЛ-11 и др. аналогичного применения при ручной электродуговой сварке, а также взамен проволоки сплошного сечения при сварке в защитных газах.

Использование ПП при внедрении технологии полуавтоматической сварки взамен существующих технологий позволит повысить качество выполняемых работ, особенно на монтаже, и обеспечить экономический эффект, т.к. увеличивается производительность труда сварщика, снижается расход дорогостоящих элементов хрома и никеля, а также трудоемкость сварочных работ.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №809366/25-27, В 23 К 35/36, В 23 К 35/04, 1967 г., БИ №5.

2. Патент №5861605 США, МПК⁶ В 23 К 035/22, 1999 г.

3. Авторское свидетельство SU №1605451 А1, В 23 К 35/368 дата публ. 01.27.95 г. - прототип.

Изобретение может быть использовано при механизированной сварке открытой дугой конструкций из аустенитных хромоникелевых сталей, работающих в условиях, когда к металлу сварного шва предъявляются высокие требования по стойкости к межкристаллитной коррозии. Проволока состоит из стальной оболочки из аустенитной хромоникелевой стали и порошкообразного сердечника, содержащего, мас.%: рутиловый концентрат 32,0-38,0, плавиково-шпатовый концентрат 24,0-32,0, окись хрома 1,0-7,0, хром металлический 5,0-12,0, порошок никелевый 0,5-5,0, феррониобий 2,0-7,0, феррованадий 0,6-5,0, ферросиликомарганец 4,5-7,0, мрамор 7,0-13,0, ферротитан 3,0-9,0. Металл шва обладает высокой стойкостью к общей и межкристаллитной коррозии в агрессивных и химически активных средах, имеет хорошие прочностные и вязкопластические свойства металла шва, а также сварочно-технологические свойства. 2 табл.

Самозащитная порошковая проволока для сварки аустенитных хромоникелевых сталей, состоящая из нержавеющей стальной оболочки и порошкообразного сердечника, содержащего рутиловый концентрат, плавиково-шпатовый концентрат, окись хрома, хром металлический, порошок никелевый, феррониобий, феррованадий, отличающаяся тем, что стальная оболочка выполнена из ленты из аустенитной хромоникелевай стали, а сердечник дополнительно содержит ферросиликомарганец, мрамор, ферротитан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Рутиловый концентрат32,0-38,0Плавиково-шпатовый концентрат24,0-32,0Окись хрома1,0-7,0Хром металлический5,0-12,0Порошок никелевый0,5-5,0Ферросиликомарганец4,5-7,0Мрамор7,0-13,0Ферротитан3,0-9,0Феррониобий2,0-7,0Феррованадий0,6-5,0