ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВАРКИ ХЛАДОСТОЙКИХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ КАТЕГОРИИ X80 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 Х-80, а так же в различных областях промышленности для сварки перлитных сталей с пределом текучести от 500 до 600 МПа.

Известны электроды, используемые для указанной цели в соответствующих отраслях промышленности типа 48ХН-7. Эти электроды не отвечают современным требованиям, предъявляемым классификационными обществами для сварки труб категории Х80 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-7 типа Э40А патент РФ №2268129, состоящий из стержня-проволоки марки Св-10ГНА и электродного покрытия, содержащего мас.%:

Мрамор 35,2-48,6 Плавиковый шпат 17,0-24,0 Кварцевый песок 4,0-10,0 Рутил 6,0-12,0 Железный порошок 10,0-15,0 Никелевый порошок 0,4-0,8 Комплексная лигатура 8,0-12,0 Жидкое стекло натриевое 28-30 (сверх массы сухой смеси компонентов покрытия)  

При этом комплексная лигатура содержит элементы в следующем соотношении, %:

Титан 25,0-35,0 Кремний 2,0-6,0 Алюминий 9,0-15,0 Марганец 8,0-12,0 Церий 0,02-1,0 Бор 0,5-1,5 Железо остальное

Основными недостатками этих электродов являются недостаточно высокие прочностные свойства металла шва для сварки сталей категории Х80 и низкие сварочно-технологические характеристики электродов при сварке отличного от нижнего положения.

Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки хладостойких низколегированных сталей категории Х80, обеспечивающего наряду с высокими механическими свойствами металла шва высокие сварочно-технологические характеристики электродов.

Технический результат достигается тем, что электрод, состоящий из стержня-проволоки марки Св-04Н3ГМТА и электродного покрытия, содержащего мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, рутил, марганец металлический и жидкое стекло натриевое, в электродном покрытии дополнительно содержится ферросилиций, сода и комплексный компонент, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор 40-48 Плавиковый шпат 18-22 Кварцевый песок 4-9 Рутил 4-8 Комплексный компонент 8-20 Ферросилиций 3-8 Марганец металлический 2-6 Сода 0,5-2 (сверх массы сухой смеси компонентов покрытия)   Жидкое стекло натриевое 23-28 (сверх массы сухой смеси компонентов покрытия)  

При этом комплексный компонент содержит элементы в следующем соотношении, %:

Мрамор 35-40 Плавиковый шпат 10-18 Кварцевый песок 18-22 Глинозем 28-35 Двуокись титана 3-5 РЗМ в виде оксидов церия и лантана 1-10

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 порообразования в металле шва. Комплексный компонент представляет собой минеральный сплав, изготовленный по технологии производства сварочных флюсов (РД5.УЕИА.3405-2004 на изготовление комплексного компонента) путем сплавления составляющих шихты в флюсо-плавильных печах, далее сплав гранулируют, прокаливают и измельчают до фракции, пригодной для использования в покрытии электродов. 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 4-8% позволяет получить, наряду с хорошими сварочно-технологическими характеристиками, формирование однородной мелкодисперсной структуры металла шва. Увеличение содержания в покрытии рутила более 8% приводит к повышению содержания в металле шва оксидов титана и, как следствие, снижению механических характеристик металла шва. 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. Так же при изготовлении электродов в состав покрытия вводится сода до 2% сверх массы сухой шихты для пластификации обмазочной массы. Увеличение содержания соды в покрытии электродов более 2% ведет к повышению гигроскопичности покрытия и повышению 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-04Н3ГМТА 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 ООО «Инстрэл» на установке для производства покрытых сварочных электродов фирмы «Манса».

Опытные образцы электродов испытывались на хладостойких низкоуглеродистых трубных сталях категории Х80 и стали марки Ст3сп. Сварку производили на постоянном токе обратной полярности без предварительного подогрева. Режимы сварки были следующими: Iсв.=150-180А, Uд=22-24 В, 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 04Н3ГМТА С Si Mn Ni В S P Н.б. 0,08 0,15-0,35 0,8-1,2 1,9-2,5 0,002 Н.б. 0,015 Н.б. 0,020

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, а также снижения стоимости электродов в результате отсутствия в покрытии электродов дорогостоящих компонентов: титана, бора, церия, никелевого порошка, железного порошка и алюминиевого порошка.

Изобретение может быть использовано для сварки без предварительного подогрева конструкций из хладостойких низколегированных сталей с пределом текучести более 555 МПа, работающих при температурах до минус 40°С. Низколегированный стержень электрода выполнен из проволоки Св-04Н3ГМТА. Нанесенное на стержень покрытие содержит, мас.%: мрамор 40-48, плавиковый шпат 18-22, кварцевый песок 4-9, рутил 4-8, комплексный компонент 8-20, ферросилиций 3-8, марганец металлический 2-6, сода 0,5-2 (сверх массы сухой смеси) и жидкое стекло натриевое 23-28 (сверх массы сухой смеси). Комплексный компонент содержит элементы в следующем соотношении, мас.%: мрамор 35-40, плавиковый шпат 10-18, кварцевый песок 18-22, глинозем 28-35, двуокись титана 3-5, РЗМ в виде оксидов церия и лантана 1-10. Электроды обеспечивают надежность и долговечность конструкций за счет повышения их сварочно-технологических характеристик и механических свойств металла шва при снижении стоимости электродов. 3 табл.

Электрод для сварки хладостойких низколегированных трубных сталей категории прочности Х80, включающий стержень и электродное покрытие, содержащее мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, рутил, марганец металлический и жидкое стекло натриевое, отличающийся тем, что стержень электрода выполнен из проволоки марки Св-04НЗГМТА, а электродное покрытие дополнительно содержит комплексный компонент, ферросилиций, а также соду сверх массы сухой смеси компонентов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мрамор 40-48 Плавиковый шпат 18-22 Кварцевый песок 4-9 Рутил 4-8 Комплексный компонент 8-20 Ферросилиций 3-8 Марганец металлический 2-6 Жидкое стекло натриевое 23-28 сверх массы сухой смеси компонентов покрытия   Сода 0,5-2 сверх массы сухой смеси компонентов покрытия,