СОСТАВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2009 года по МПК B23K35/30 

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для ручной и автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и атомном энергетическом машиностроении.

Для обеспечения надежности и долговечности оборудования сварочные материалы должны обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупко-вязкого перехода (Т_к0), стойкостью против тепловой хрупкости, отсутствием существенной деградации свойств металла шва под воздействием нейтронного облучения.

В настоящее время значительная часть энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2МФА (ТУ 5.961-11060-77), которая содержит 2,5-3,0% Cr, 0,6-0,8% Мо, 0,25-0,35% V, обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 500°С, а также низкой температурой хрупко-вязкого перехода (Т_к0<-30°). Согласно действующей в атомной энергетике нормативной документации температура послесварочных отпусков не должна превышать 680°С.

Для сварки этой стали применяется сварочная проволока Св-10ХМФТУ по ТУ 14-1-4914-90.

Наиболее близким по составу является состав сварочной проволоки по патенту Российской Федерации №2194602, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %:

Углерод 0,07-0,12 Азот 0,003-0,012 Кремний 0,15-0,40 Кислород 0,001-0,005 Марганец 0,3-1,2 Олово 0,0001-0,001 Хром 1,5-2,5 Сурьма 0,001-0,008 Никель 0,01-0,2 Мышьяк 0,001-0,01 Молибден 0,4-1,2 Кобальт 0,005-0,02 Ванадий 0,05-0,25 Свинец 0,001-0,01 Титан 0,01-0,15 Сера 0,001-0,006 Медь 0,01-0,06 Фосфор 0,001-0,006 Алюминий 0,005-0,05 Железо остальное

При этом должны обеспечиваться следующий соотношения:

(3,75Cr+V)×10^-2/(0,028C+N)=3,7…19,5

0,07Cu+P+(Co+Ni)³≤0,021

Недостатком указанного состава является высокая температура хрупко-вязкого перехода (Т_к0≤0°С) металла сварных швов, выполненных этой проволокой после отпуска при температуре 670±10°С. Температура хрупко-вязкого перехода сварных швов, расположенных напротив активной зоны, является основным фактором, лимитирующим продолжительность срока службы корпуса атомного реактора и всей АЭС в целом.

Техническим результатом настоящего изобретения явилось снижение температуры хрупко-вязкого перехода металла сварных швов до -20°С одновременно с обеспечением высокой стойкости к тепловому и радиационному охрупчиванию.

Поставленный в заявке технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки кальция и натрия и увеличением содержания никеля.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%: Углерод 0,10-0,12 Кислород 0,001-0,005 Кремний 0,15-0,25 Олово 0,0001-0,001 Марганец 0,5-0,7 Сурьма 0,001-0,005 Хром 1,6-1,8 Мышьяк 0,001-0,080 Никель 0,21-0,30 Кобальт 0,005-0,020 Молибден 0,5-0,6 Свинец 0,001-0,010 Ванадий 0,20-0,25 Сера 0,001-0,006 Титан 0,05-0,10 Фосфор 0,001-0,006 Медь 0,01-0,06 Кальций 0,005-0,030 Алюминий 0,005-0,015 Натрий 0,001-0,005 Азот 0,003-0,015 Железо остальное

Нормирование содержания легирующих выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для достижения необходимой стабильности основных физико-механических свойств в условиях работы корпуса атомного реактора должно соблюдаться следующее условие:

Q=(Ni+Co)²+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,29

где Q - критерий охрупчивания в условиях облучения.

Увеличение вязких характеристик при пониженных температурах достигается за счет легирования кальцием и натрием. В указанных пределах такое легирование способствует очищению границ зерен и повышению вязких и пластичных свойств металла сварного шва. Дальнейшее повышение содержания кальция и натрия приводит к увеличению неметаллических включений по границам зерен и, как следствие, снижению значений пластичности и ударной вязкости.

Увеличение содержания никеля также позволяет добиться требуемого увеличения вязкости, пластичности стали и снижения ее температуры хрупко-вязкого перехода (Т_к0). Кроме того, никель положительно влияет на прокаливаемость стали, что немаловажно при толщинах свариваемых деталей, применяемых в корпусах реакторов. При содержании никеля менее 0,21% его влияние практически не сказывается на механические свойства металла шва. Превышение содержания никеля выше заданного предела ведет к значительному увеличению склонности металла к радиационному охрупчиванию при эксплуатации.

Совместное влияние никеля с марганцем приводит к резкому снижению стойкости стали к радиационному охрупчиванию. Дабы уменьшить их негативное влияние на радиационную стойкость стали, был снижен верхний предел содержания марганца до 0,7%.

На основании экспериментальных исследований было установлено, что на радиационное охрупчивание металла сварного шва кроме никеля и марганца также влияют такие элементы, как медь, сурьма, фосфор и олово, поэтому было ограничено их общее содержание в металле шва следующим условием:

Q=(Ni+Co)²+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,29

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения требуемых характеристик прочности и пластичности, а также высокой стойкости к охрупчиванию под воздействием нейтронного облучения и высокотемпературного воздействия на металл сварных швов.

При легировании сварной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к радиационному охрупчиванию, снижению характеристик пластичности и вязкости.

На производственной базе ОАО "Ижорские заводы" ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы в натурном сечении и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств представлены в табл. №1-3. Термическая обработка (отпуск) была выполнена по стандартным режимам, соответствующим свариваемой стали и применительно к режимам отпуска элементов корпусов реакторов (655±10°С-15 ч+670±10°С-20 ч).

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов реакторов АЭУ перспективных проектов выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса изделий при обеспечении повышенной безопасности.

Таблица №1 Химический состав плавок № плавки Содержание элементов, % С Si Mn Cr Ni Mo V Ti Си A1 N O 1 0,14 0,32 0,80 1,95 0,35 0,62 0,28 0,15 0,08 0,020 0,021 0,006 2 0,12 0,25 0,70 1,80 0,21 0,60 0,25 0,10 0,06 0,015 0,015 0,005 3 0,11 0,20 0,60 1,70 0,25 0,55 0,22 0,07 0,03 0,010 0,010 0,003 4 0,10 0,15 0,50 1,60 0,30 0,50 0,20 0,05 0,01 0,005 0,003 0,001 5 0,08 0,10 0,45 1,45 0,18 0,43 0,18 0,01 0,01 0,002 0,001 0,001 6(прототип) 0,10 0,28 0,80 2,00 0,15 0,80 0,30 0,08 0,02 0,010 0,010 0,003 № плавки Содержание элементов, % Критерий радиационного охрупчивания Sb Sn As Co Pb S Р Ca Na Fe 1 0.006 0,0020 0,081 0,025 0,012 0,008 0,008 0,035 0,006 Остальное 0,43 2 0,005 0,0010 0,080 0,020 0,010 0,006 0,001 0,030 0,005 0,29 3 0,002 0,0005 0,040 0,009 0,004 0,003 0,003 0,015 0,002 0,24 4 0,001 0,0001 0,001 0,005 0,001 0,001 0,006 0,005 0,001 0,21 5 0,001 0,0001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,003 0,001 0,14 6(прототип) 0,004 0,0005 0,005 0,015 0,005 0,004 0,003 - - 0,22

Таблица 2 Механические свойства металла шва №плавка Механические свойства при Т_исп=+20°С Ударная вязкость и % волокна в изломе (В) Т_к0 σ_в σ_0,2 δ ψ KCV В МПа МПа % % Дж/см² % °С 1 710 600 590 590 585 580 12 15 16 30 35 35 56 64 44 10 15 9 +30 2 570 590 600 520 520 540 16 16 20 62 63 70 156 140 218 100 100 90 -20 3 560 570 580 490 500 510 18 19 17 71 73 71 220 195 231 100 100 100 -25 4 560 540 560 470 450 460 23 21 22 75 71 71 224 240 234 100 100 100 -35 5 490 500 530 400 270 390 25 33 28 80 76 74 231 225 270 100 100 100 -40 6 (прототип) 590 610 630 550 530 560 18 16 15 56 61 55 128 93 112 45 32 48 0

Таблица 3 Свойства после облучения и сдвиг Т_к0 в результате облучения №плавки Значения Т_к0 ΔТ_к0 После сварки и высокого отпуска После нейтронного облучения 1 +30 +70 40 2 -20 +10 30 3 -25 0 25 4 -35 -20 15 5 -40 -30 10 6 (прототип) 0 +25 25

Изобретение может быть использовано для ручной и автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и энергетическом машиностроении. Сварочная проволока содержит элементы в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,10-0,12, кремний 0,15-0,25, марганец 0,5-0,7, хром 1,6-1,8, никель 0,21-0,30, молибден 0,5-0,6, ванадий 0,20-0,25, титан 0,05-0,10, медь 0,01-0,06, алюминий 0,005-0,015, азот 0,003-0,015, кислород 0,001-0,005, олово 0,0001-0,001, сурьма 0,001-0,005, мышьяк 0,001-0,080, кобальт 0,005-0,020, свинец 0,001-0,010, сера 0,001-0,006, фосфор 0,001-0,006, кальций 0,005-0,030, натрий 0,001-0,005, железо - остальное. Должно быть соблюдено следующее условие: Q=(Ni+Co)²+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,29, где Q - критерий охрупчивания в условиях облучения. Техническим результатом является снижение температуры хрупко-вязкого перехода металла сварных швов до -20°C с одновременным обеспечением высокой стойкости к тепловому и радиационному охрупчиванию. 3 табл.

Состав сварочной проволоки, преимущественно, для ручной и автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, титан, медь, алюминий, азот, кислород, олово, сурьму, мышьяк, кобальт, свинец, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и натрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,10-0,12 Кремний 0,15-0,25 Марганец 0,5-0,7 Хром 1,6-1,8 Никель 0,21-0,30 Молибден 0,5-0,6 Ванадий 0,20-0,25 Титан 0,05-0,10 Медь 0,01-0,06 Алюминий 0,005-0,015 Азот 0,003-0,015 Кислород 0,001-0,005 Олово 0,0001-0,001 Сурьма 0,001-0,005 Мышьяк 0,001-0,080 Кобальт 0,005-0,020 Свинец 0,001-0,010 Сера 0,001-0,006 Фосфор 0,001-0,006 Кальций 0,005-0,030 Натрий 0,001-0,005 Железо Остальное,