ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ СВАРКИ ТРУБ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ Х70-Х80 Российский патент 2010 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к порошковым проволокам, и может быть использовано для автоматической и механизированной сварки в среде защитных газов во всех пространственных положениях хладостойких низколегированных трубных сталей категорий прочности Х70 и Х80 в различных отраслях промышленности, например, в трубной, нефтехимической промышленности с обеспечением хладостойкости шва при температурах до минус 60°С.

В трубопроводном строительстве все более широкое применение находят трубные стали высокой прочности. В связи с этим актуальной задачей становится разработка новых сварочных материалов для сварки трубных сталей, обеспечивающих высокие прочностные характеристики [1]. Возрастающие требования к прочности и вязкости сварных конструкций обусловливают большой интерес в изыскании путей повышения этих показателей металла шва. Интенсивные международные усилия за последние десятилетия позволили получить в этой области обширную информацию [2].

Из бесчисленного количества свойств, которыми могут обладать материалы, механические свойства в большинстве случаев являются важнейшими. Механические свойства шва, как известно, в состоянии после сварки тесно связаны с его химическим составом. Высокая ударная вязкость и пластичность металла шва на трубных сталях с различным уровнем прочности могут быть достигнуты путем рационального легирования материала. При создании сварочных материалов, в частности порошковой проволоки, разработка систем легирования шва основывается на изученных процессах влияния легирующих элементов на структуру и механические свойства металла. При выборе систем легирования предпочтение отдается недифицитным и дешевым легирующим элементам (кремнию, марганцу, ванадию, титану, алюминию), а также системам, предусматривающим экономное легирование шва никелем, молибденом и ниобием. Так, никель, в отличие от большинства легирующих элементов, повышает сопротивление металла хрупким разрушениям, а легирование молибденом повышает временное сопротивление разрыву и предел текучести [1].

Производство трубопроводов связано с большими объемами сварки, в том числе автоматической и механизированной сваркой в защитном газе. При этом основной объем сварки выполняется в пространственных положениях, отличных от нижнего. Кроме того, жесткие сроки строительства трубопроводов требуют высокой производительности процесса сварки и качества сварных швов. Для изготовления таких конструкций обычно применяется автоматическая сварка сплошной проволокой, которая существенно уступает по производительности и сварочно-технологическим свойствам порошковой проволоке [1].

Более низкие сварочно-технологические свойства (потери на разбрызгивание, плавность сопряжения шва с основным металлом, формирование шва в положениях, отличных от нижнего без прерывания дуги) сплошной проволоки по сравнению с порошковой обуславливаются отсутствием шлака. Шлак образуется в процессе плавления наполнителя порошковой проволоки.

Отечественных порошковых проволок, обеспечивающих требуемые прочностные характеристики и уровень работы удара при отрицательных температурах при сварке трубных сталей категорий прочности Х70 и Х80, не существует.

Известна порошковая проволока марки 48ПП-10Т [3], обеспечивающая хладостойкость при температурах до минус 60°С и предел текучести наплавленного металла не менее 450 МПа. Недостатком данной порошковой проволоки является недостаточно высокий уровень прочности металла шва вследствие отсутствия легирования соответствующими элементами.

В настоящее время в связи с созданием проектов трубопроводов из сталей категорий прочности Х70 и Х80 актуальна разработка более прочных сварочных материалов с сохранением уровня хладостойкости металла шва.

Сплошные проволоки, которые удовлетворяют данным требованиям, уступают порошковым проволокам в сварочно-технологических свойствах.

Ближайшей по составу и назначению к заявляемой является порошковая проволока марки 48ПП-10Т [3], принятая за прототип, содержащая порошкообразную шихту при следующем соотношении компонентов, мас.% от проволоки:

Рутиловый концентрат 4,21-7,32 Полевой шпат 0,50-1,50 Электрокорунд 0,21-0,71 Кремнефтористый натрий 0,20-0,50 Ферросилиций 0,35-0,65 Ферромарганец 1,20-3,10 Никель 0,7-1,4 Периклаз 0,2-0,4 Железный порошок 2,1-4,7 Комплексная лигатура 0,22-0,83 Оболочка из низкоуглеродистой стали остальное

комплексную лигатуру, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Лантан 15-40 Празеодим 1-10 Церий 15-20 Неодим 3-7 Железо остальное

и сталь оболочки, составляющую 78-88,8% от общей массы проволоки и имеющую следующий состав, мас.%:

Углерод 0,04-0,08 Марганец 0,15-0,30 Кремний 0,01-0,03 Фосфор 0,07-0,012 Сера 0,01-0,02

Данная порошковая проволока-прототип для сварки низколегированных трубных сталей обеспечивает высокую хладостойкость сварного шва за счет микролегирования редкоземельными металлами при температурах до минус 60°С. Недостатком данной порошковой проволоки-прототипа является недостаточно высокий уровень прочности металла шва из-за отсутствия легирования соответствующими элементами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание порошковой проволоки, обладающей значительно улучшенными механическими характеристиками сварного соединения при температурах до минус 60°С.

Технический результат достигается тем, что в порошковую проволоку для механизированной сварки хладостойких низколегированных трубных сталей, состоящую из стальной оболочки и порошкового наполнителя, содержащего двуокись титана, полевой шпат, электрокорунд, ферросилиций, никель, железный порошок и комплексную лигатуру, дополнительно введены плавиковый шпат, марганец и молибден при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:

Двуокись титана 4,21-7,32 Полевой шпат 0,50-1,50 Электрокорунд 0,21-0,71 Плавиковый шпат 0,3-3,8 Ферросилиций 0,4-0,7 Марганец металлический 1,8-3,10 Никель 0,7-2,0 Молибден 0,05-0,4 Железный порошок 2,1-4,9 Комплексная лигатура 0,1-0,5 Оболочка из низкоуглеродистой стали остальное

комплексная лигатура содержит лантан, празеодим, церий, неодим, железо при следующем соотношении ее компонентов, мас.%:

Лантан 15-40 Празеодим 1-10 Церий 15-20 Неодим 3-7 Железо остальное

при этом стальная оболочка имеет следующий состав, мас.%:

Углерод 0,04-0,08 Марганец 0,15-0,30 Кремний 0,01-0,03 Фосфор 0,007-0,012 Сера 0,01-0,02

Как видно из сравнения проволоки-прототипа и заявленной проволоки, произведена корректировка шлаковой системы (отсутствуют натрий кремнефтористый и периклаз).

Увеличение содержания никеля до 2% в шихте способствует увеличению жесткости матрицы и, как следствие этого, усилению поглощения энергии, что положительно влияет на хладостойкость металла шва. Повышение содержания никеля выше указанного верхнего предела приведет к значительному росту прочности шва и снижению его вязкопластичных свойств. Снижение содержания никеля менее указанного нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости в области отрицательных температур.

Введение плавикового шпата повышает основность шлака, улучшая его рафинирующую способность, снижает вязкость шлака. Также введение плавикового шпата способствует снижению содержания диффузионно-подвижного водорода в наплавленном металле. Снижение содержания плавикового шпата менее указанного нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости металла шва в области отрицательных температур, а повышение содержания этого компонента выше указанного верхнего предела - к снижению сварочно-технологических характеристик (невозможности выполнения сварки в пространственных положениях, отличных от нижнего).

Комплексная лигатура обеспечивает модифицирование металла шва к увеличению хладостойкости и снижению склонности к водородному трещинообразованию. Входящие в состав комплексной лигатуры лантан, празеодим, церий и неодим, являясь редкоземельными элементами, обеспечивают микролегирование, способствуют измельчению зерна и увеличению работы удара. Повышение содержания комплексной лигатуры выше указанного верхнего предела приведет к значительному росту прочности шва и снижению его вязкопластичных свойств. Снижение содержания комплексной лигатуры менее указанного нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости в области отрицательных температур.

Замена ферромарганца на марганец позволяет добиться увеличения пластичности и хладостойкости металла шва. Кроме того, марганец металлический содержит меньше серы и фосфора, ухудшающих сопротивляемость металла шва хрупким разрушениям.

Легирование шва молибденом обеспечивает более высокие показатели прочности: временное сопротивление разрыву и предел текучести. Снижение содержания молибдена менее указанного нижнего предела приведет к недопустимому ухудшению прочностных характеристик, а повышение содержания молибдена выше указанного верхнего предела приведет к снижению относительного удлинения металла шва и уменьшению работы удара сварных соединений.

Предлагаемую порошковую проволоку для механизированной сварки изготавливают по следующей технологии.

Подготовленные компоненты шихты (размолотые до размера гранул 0,1-0,3 мм и просушенные) взвешиваются дозами на один замес, помещаются в кюбель и транспортируются к смесителю. Смешивание компонентов производится любым способом, обеспечивающим достаточную однородность смешанной шихты. После смешивания шихта в кюбеле подается на линию для изготовления порошковой проволоки. В профилегибочной приставке происходит формирование из ленты и заполнение шихтой трубчатой металлической оболочки проволоки, после чего заготовка на волочильной машине обжимается до требуемого диаметра (1,2-1,6 мм). После волочения проволока прокаливается и наматывается на кассеты требуемого диаметра.

Было изготовлено три варианта составов, близких к составу предлагаемой порошковой проволоки, условно обозначенных I, II, III и приведенных в таблице 1 (для сварки сталей категорий прочности Х70 и Х80). Там же приведен состав порошковой проволоки-прототипа, использованной для сравнения, условно обозначенный IV.

В таблице 2 приведены химические составы металла швов, сваренных с использованием приведенных в таблице 1 вариантов составов (для двух категорий прочности), а в таблице 3 - механические свойства металла швов указанных вариантов порошковой проволоки.

Таблица 1 Ингредиенты Содержание ингредиентов в проволоке, мас.% Предлагаемый состав IV (прототип) I II III Х70 Х80 Х70 Х80 Х70 Х80 1 2 3 4 5 6 7 8 Рутиловый концентрат -   -   -   - Двуокись титана 4,21 6,0 7,32 5,765 Полевой шпат 0,5 0,88 1,5 1,0 Электрокорунд 0,21 0,416 0,71 0,46 Натрий кремнефтористый - - - 0,35 Плавиковый шпат 03 2,512 38 - Ферросилиций 0,4 0,5 0,48 0,56 0,65 0,7 0,5 Ферромарганец - - - 2,15 Марганец металлический 1,8 2,4 3,10 - Никель 0,7 1,2 1,06 1,68 1,2 2,0 1,05 Молибден 0,05 0,1 0,05 0,224 0,05 0,4 - Периклаз - - - 0,3 Железный порошок 2,9 2,1 4,2 3,3 4,9 4,0 3,4 Комплексная лигатура 0,2 0,12 0,192 0,1 0,5 0,4 0,525   Таблица 2 Варианты порошковой проволоки Содержание элементов в металле шва, % С Si Mn Ni Mo S Р I Х70 0,05 0,25 0,9 0,9 - 0,012 0,007 Х80 0,05 0,25 1,0 1,4 0,25 0,012 0,007 II Х70 0,05 0,21 1,068 0,87 0,019 0,013 0,010 Х80 0,04 0,249 1,097 1,58 0,29 0,013 0,010 III Х70 0,10 0,50 1,3 1,4 0,02 0,018 0,013 Х80 0,09 0,50 1,4 1,8 0,4 0,018 0,013 IV 0,06 0,3 1,07 1,06 - 0,013 0,008

Таблица 3 Варианты порошковой проволоки σ_в, МПа σ_0,2, МПа δ₅, % Работа удара, KV, Дж при температуре испытания -40°С -60°С I Х70 Х80 - II Х70 Х80 - III Х70 Х80 - IV

Оптимальные пределы содержания компонентов наполнителя порошковой проволоки заявленного состава, а также их соотношения определяли по результатам испытаний ударной работы разрушения металла сварных швов образцов при минус 40°С и минус 60°С и по определению химического состава наплавленного металла.

Как следует из таблицы 3, сварные швы, полученные при использовании порошковой проволоки для сварки сталей категории прочности Х80, изготовленной согласно предлагаемому изобретению, обеспечивают работу удара металла шва не менее 88 Дж при температуре испытания минус 40°С. Сварные швы, полученные при использовании порошковой проволоки для сварки сталей категории прочности Х70, обеспечивают работу удара не менее 77,7 Дж при минус 40°С и не менее 57,9 Дж при минус 60°С (у прототипа 71,5 и 55,3 Дж соответственно).

Исходя из результатов испытаний по определению работы удара разрушения металла шва при минус 40°С и минус 60°С, а также на основании микроструктурного исследования металла шва был определен оптимальный состав предлагаемой порошковой проволоки, которым является состав II, содержание компонентов рудоминеральной и легирующей частей которого указано в таблице 1.

Таким образом, предлагаемая порошковая проволока для автоматической и механизированной сварки в среде защитных газов хладостойких низколегированных трубных сталей категорий прочности Х70 и Х80 позволяет обеспечить благоприятное формирование металла шва при сварке в сочетании с высокими показателями прочности и хладостойкости сварного соединения при температурах до минус 60°С, что расширяет ее технологические возможности по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. И.К.Походня, Л.Н.Орлов, Г.А.Шевченко, В.Н.Шлепаков «Влияние легирования на механические свойства сварных швов, выполненных порошковыми проволоками» - Автоматическая сварка №7(388), 1985 г., с.8-11.

2. В.В.Подгаецкий «О влиянии химического состава металла шва на его микроструктуру и механические свойства (обзор)» - Автоматическая сварка №2 (455), 1991 г., с.1-9.

3. Патент РФ №2300452, 7 В23К 35/368, 2007 г., БИ №16 - прототип.

Изобретение может быть использовано для автоматической и механизированной сварки в среде защитных газов хладостойких низколегированных трубных сталей категорий прочности Х70 и Х80. Стальная оболочка порошковой проволоки содержит, мас.%: углерод 0,04-0,08, марганец 0,15-0,30, кремний 0,01-0,03, фосфор 0,007-0,012, сера 0,01-0,02. Порошковая проволока содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: двуокись титана 4,21-7,32, полевой шпат 0,5-1,5, электрокорунд 0,21-0,71, плавиковый шпат 0,3-3,8, ферросилиций 0,4-0,7, марганец 1,8-3,10, никель 0,7-2,0, молибден 0,05-0,4, железный порошок 2,1-4,9, комплексная лигатура 0,1-0,5, сталь оболочки - остальное. При этом комплексная лигатура содержит следующие компоненты, мас.%: лантан 15-40, празеодим 1-10, церий 15-20, неодим 3-7, железо - остальное. Изобретение позволяет повысить работу удара металла шва за счет легирования никелем и молибденом, обеспечивая благоприятное формирование металла шва при сварке и высокую хладостойкость сварного соединения при температурах до минус 60°С, и расширяет технологические возможности предлагаемой проволоки. 3 табл.

Порошковая проволока для сварки хладостойких низколегированных трубных сталей, состоящая из стальной оболочки, содержащей, мас.%:
углерод 0,04-0,08 марганец 0,15-0,30 кремний 0,01-0,03 фосфор 0,007-0,012 сера 0,01-0,02

и порошкового наполнителя, содержащего двуокись титана, полевой шпат, электрокорунд, ферросилиций, никель, железный порошок и комплексную лигатуру, содержащую лантан, празеодим, церий, неодим и железо при следующем соотношении ее компонентов, мас.%:
лантан 15-40 празеодим 1-10 церий 15-20 неодим 3-7 железо остальное
отличающаяся тем, что порошковый наполнитель дополнительно содержит плавиковый шпат, марганец и молибден при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:
двуокись титана 4,21-7,32 полевой шпат 0,5-1,5 электрокорунд 0,21-0,71 плавиковый шпат 0,3-3,8 ферросилиций 0,4-0,7 марганец 1,8-3,10 никель 0,7-2,0 молибден 0,05-0,4 железный порошок 2,1-4,9 комплексная лигатура 0,1-0,5 сталь оболочки остальное