ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВАРКИ ХЛАДОСТОЙКИХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ КАТЕГОРИИ К60, Х70 Российский патент 2010 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к области производства сварочных материалов и может быть использовано для монтажной сварки стыков и ремонта труб из хладостойких низколегированных сталей категории прочности К60, Х70, а также в различных областях промышленности для сварки перлитных сталей с пределом текучести от 400 до 500 МПа.

Известны электроды, используемые для указанной цели в соответствующих отраслях промышленности типа 48ХН-3. Эти электроды не отвечают современным требованиям, предъявляемым классификационными обществами для сварки труб категории К60, Х70 в части прочностных свойств и сварочно-технологических характеристик электродов.

Наиболее близким к заявочному электроду по назначению и составу компонентов и взятым в качестве прототипа является электрод марки 48ХН-3 типа Э40А (патент №2302327), состоящий из стержня - проволоки марки Св-08А и электродного покрытия, содержащего в мас.%:

Мрамор 34-52 Плавиковый шпат 9-25 Кварцевый песок 6-15 Двуокись титана 3-15 Ферросилиций 3-15 Ферромарганец 3-15 Сурик железный до 5 Жидкое стекло натриевое (к массе сухой смеси) 23-28

Основными недостатками этих электродов является низкие прочностные свойства для сварки сталей категории К60, Х70 и недостаточно высокие сварочно-технологические характеристики электродов при сварке отличного от нижнего положения.

Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки хладостойких низколегированных сталей категории К60, Х70, работающих при температурах минус 40°С, обеспечивающего наряду с более высокими по сравнению с аналогом механическими свойствами металла шва высокие сварочно-технологические характеристики электродов.

Технический результат достигается тем, что электрод состоит из стержня-проволоки марки Св-10ГНА и электродного покрытия, содержащего мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, марганец металлический, жидкое стекло натриевое, в электродном покрытии дополнительно содержится сода, рутил, комплексный компонент и ферромолибден, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор 40-50 Плавиковый шпат 14-23 Кварцевый песок 6-10 Рутил 3-6 Комплексный компонент 8-20 Ферросилиций 3-8 Марганец металлический 1,5-6 Ферромолибден 0,5-3 Сода 0,5-2 (к массе сухой смеси)   Жидкое стекло натриевое 23-28 (к массе сухой смеси)  

При этом комплексный компонент (минеральный сплав) содержит элементы в следующем соотношении, %:

Мрамор 35-40 Плавиковый шпат 10-18 Кварцевый песок 18-22 Глинозем 28-35 Двуокись титана 3-5 РЗМ 1-10 (оксиды церия и лантана)

Повышение сварочно-технологических характеристик электродов и снижение склонности металла шва к пористости объясняется введением в покрытие комплексного компонента и рутила, которые совместно с композицией мрамор-плавиковый шпат-кварцевый песок позволяют получать благоприятное формирование металла шва во всех пространственных положениях, хорошую отделимость шлаковой корки и низкое содержание диффузионно-подвижного водорода.

Введение в покрытие комплексного компонента приводит к уменьшению содержания гидратированных соединений в покрытии и, как следствие, ведет к снижению склонности пористости металла шва. Входящие в состав комплексного компонента оксиды редкоземельных металлов церия и лантана обеспечивают высокий уровень хладостойкости металла шва при высоких значениях прочности. Увеличение содержания комплексного компонента в покрытии (более 20%) затрудняет производство сварки в положениях, отличных от нижнего, и приводит к окислению легирующих элементов. Введение в покрытие рутила в количестве 3-6% позволяет получить наряду с хорошими сварочно-технологическими характеристиками формирование однородной мелкодисперсной структуры металла шва. Увеличение содержания в покрытии рутила более 6% приводит к повышению содержания оксидов титана в металле шва и, как следствие, снижению механических свойств. Совместное влияние комплексного компонента и рутила позволяет получать металл шва с минимальным количеством дефектов и мелкозернистой феррито-перлитной структурой, что позволяет обеспечить высокую ударную вязкость при низких температурах. Введение в состав покрытия ферромолибдена до 3% позволяет получать заданные прочностные характеристики без потери ударной вязкости металла шва. Дальнейшее увеличения ферромолибдена более 3% введет к охрупчиванию металла шва и потере хладостойкости. Также при изготовлении электродов сверх массы сухой шихты покрытия вводится сода до 2% для пластификации обмазочной массы. Увеличение содержания соды в покрытии электродов более 2% ведет к повышению гигроскопичности покрытия и повышения количества диффузионного водорода в составе металла шва.

Был проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по изготовлению, испытанию и практическому опробованию электродов для сварки хладостойких низколегированных сталей. Были выполнены слитки стали марки Св-10ГНА с химическим составом, приведенным в таблице 1, из которых путем ковки с последующей прокаткой и волочением получены металлические стержни ⌀4 мм.

Электроды были изготовлены в промышленных условиях на установке для производства покрытых электродов фирмы «Манса».

Опытные образцы электродов испытывались на хладостойких низкоуглеродистых трубных сталях категории К60, Х70 и стали марки Ст3сп. Сварку производили на постоянном токе обратной полярности без предварительного подогрева. Режимы сварки были следующими: Iсв.=150-180А, Uд=22-24В, положение шва нижнее. Межпроходная температура составляла 80-120°С. Визуальный осмотр и радиографический контроль металла шва показал отсутствие недопустимых дефектов: трещин, подрезов, непроваров, прожогов, крупных неметаллических включений.

Из металла сварных швов, полученного электродами предлагаемого и известного составов, изготовлены и испытаны образцы для определения химического состава и механических свойств.

Химический состав покрытий предлагаемого и известного сварочного электрода представлены в таблице 2. Данные сравнительных испытаний механических свойств металла шва представлены в таблице 3.

Таблица 1 Химический состав стали марки Св-10ГНА С Si Mn Ni S P Н.б. 0,08 0,02-0,04 0,8-1,2 0,9-1,3 Н.б. 0,03 Н.б. 0,03

Таблица 3 Результаты сравнительных испытаний известных и заявляемых электродов Состав № Механические характеристики металла шва Сварочно-технологические характеристики σ₀₂, МПа σ_в, МПа δ, % Работа удара KV, Дж Т+20°С Т-20°С Т-40°С Кол-во пор (св. тавр. пробы) Отд. шлака Заявляемый 1 440 580 29 168 138 100   Хор.100% 2 500 600 27 233 170 130   Хор.100% 3 530 630 23 170 90 76   Хор.100% Изв. 4 421 530 33 - 120 90   Уд.90% Примечание: 1. Данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на одну точку.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав по сравнению с известным позволяет получить более высокие прочностные свойства и сварочно-технологические характеристики в положениях, отличных от нижнего. Кроме того, заявленный электрод обеспечивает более стабильные механические свойства и отсутствие пористости в металле шва.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении надежности и долговечности конструкций за счет повышения сварочно-технологических характеристик и механических свойств металла шва.

Изобретение может быть использовано для сварки без предварительного подогрева конструкций из хладостойких низколегированных сталей с пределом текучести более 480 МПа, работающих при температурах до минус 40°С. Электрод состоит из низколегированного стержня с нанесенным на него покрытием, содержащим, мас.%: мрамор 40-50, плавиковый шпат 14-23, кварцевый песок 6-10, рутил 3-6, комплексный компонент 8-20, ферросилиций 3-8, марганец металлический 1,5-6, ферромолибден 0,5-3. Кроме того, покрытие содержит сверх массы сухой смеси компонентов соду 0,5-2,0 мас.% и жидкое стекло натриевое 23-28 мас.%. Комплексный компонент в виде минерального сплава содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%: мрамор 35-40, плавиковый шпат 10-18, кварцевый песок 18-22, глинозем 28-35, двуокись титана 3-5 и РЗМ в виде оксидов церия и лантана 1-10. Электрод обеспечивает высокие механические свойства металла шва при низких температурах и обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами. 3 табл.

Электрод для сварки хладостойких низколегированных трубных сталей категории прочности К60, Х70, включающий стержень из проволоки марки Св-10ГНА и электродное покрытие, содержащее мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, марганец и жидкое стекло натриевое, отличающийся тем, что электродное покрытие дополнительно содержит комплексный компонент в виде минерального сплава, рутил, соду и ферромолибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
мрамор 40-50 плавиковый шпат 14-23 кварцевый песок 6-10 рутил 3-6 комплексный компонент 8-20 ферросилиций 3-8 марганец 1,5-6 ферромолибден 0,5-3 сода сверх массы сухой смеси компонентов 0,5-2 жидкое стекло натриевое сверх массы сухой смеси компонентов 23-28