СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВАРКИ ХЛАДОСТОЙКИХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2011 года по МПК B23K35/30 C22C38/12 

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали транспортно упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.

Аналогом по химическому составу (таблица 1) предлагаемого сварочного материала служит сварочная проволока марки Св-08Г2С [ГОСТ 2246-70], содержащая (мас.%):

Углерод 0,05-0,11 Сера не более 0,025 Кремний 0,70-0,95 Фосфор не более 0,030 Марганец 1,8-2,1 Железо Остальное Никель не более 0,25    

Данный материал при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов не обеспечивает хладостойкости металла шва при температуре ниже минус 20°С: KCV^-20°С=79÷96 Дж/см²; KCV^-50°С=11÷17 Дж/см²; KCV^-60°С=9÷14 Дж/см² (таблица 2) и поэтому не может быть применен для сварки металлоконструкций ТУК МБК из хладостойкой низколегированной стали.

За прототип заявляемого сварочного материала (таблица 1) принята сварочная проволока импортного производства, содержащая (мас.%) [JP 07-276086 А, B23K 35/368, 24.10.1995, реферат, описание [0007] 2 л.]:

Углерод 0,03-0,09 Ниобий 0,01-0,05 Кремний 0,20-1,00 Ванадий 0,10-0,70 Марганец 0,30-3,00 Медь 0,10-1,50 Никель 0,20-5,00 Железо и примеси Остальное

Указанная проволока имеет комплексную систему легирования для обеспечения хладостойкости металла шва, выполненного полуавтоматическим способом сварки в смеси защитных газов, однако стабильность хладостойкости обеспечивается при температуре не ниже минус 40°С: KCV^-40°C=116÷84 Дж/см²; KCV^-50°C=23÷81 Дж/см²; KCV^-60°C=14÷49 Дж/см² (таблица 2).

Техническим результатом изобретения является состав сварочного материала (таблица 1), обеспечивающий хладостойкость при температурах не менее минус 60°С металла шва сварных соединений из хладостойкой низколегированной стали при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов. Ударная вязкость металла шва, выполненного указанным составом сварочной проволоки, составляет не менее 60 Дж/см² при температуре минус 60°С: KCV^-50°С=84÷96 Дж/см²; KCV^-60°С=64÷81 Дж/см² (таблица 2).

Представленный в заявке технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также ограничением содержания в проволоке серы, фосфора, азота, кислорода, цветных примесей.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод 0,03-0,10 Азот 0,005-0,010 Кремний 0,40-0,65 Мышьяк 0,005-0,010 Марганец 1,80-2,10 Сурьма 0,001-0,005 Никель 0,10-0,30 Олово 0,001-0,005 Ниобий от более 0,05 до 0,10 Сера 0,006-0,010 Ванадий от 0,05 до менее 0,10 Фосфор 0,006-0,010 Медь 0,05- 0,30 Кислород 0,005-0,010     Железо Остальное

При этом

- суммарное содержание элементов-модификаторов не должно превышать V+Nb=≤0,15;

- суммарное содержания примесей не должно превышать S+P+N₂+O₂≤0,030;

- суммарное содержание цветных примесей не должно превышать As+Sn+Sb≤0,015.

Содержание марганца устанавливается в оптимальном пределе (1,8÷2,1)%. Минимальное содержание марганца по сравнению с прототипом увеличивается в шесть раз с учетом его выгорания при полуавтоматической сварке и необходимостью увеличения доли бейнитной составляющей в структуре металла шва для повышения хладостойкости. Верхний предел содержания марганца, по сравнению с прототипом, уменьшается на тридцать процентов для предотвращения формирования грубой игольчатой составляющей в структуре металла шва.

Содержание кремния устанавливается в оптимальном пределе (0,40÷0,65)%, позволяющем обеспечить как раскисление металла шва при сварке, так и предотвратить избыточное образование в структуре неметаллических включений типа силикатов, отрицательно влияющих на хладостойкость.

Содержание элементов-модификаторов устанавливается в оптимальных пределах: ниобия (от более 0,05 до 0,10%) и ванадия (от 0,05 до менее 0,10%). Введение элементов-модификаторов в указанных пределах приводит к формированию в металле шва оптимального количества мелкодисперсных карбидов типа VC, NbC, что позволяет обеспечить повышение хладостойкости при отрицательных температурах за счет измельчения структуры металла шва и увеличения работы распространения трещины.

В связи с тем, что избыточное количество карбидов типа VC, NbC в структуре металла шва приводит к значительному повышению прочностных свойств и снижению хладостойкости, устанавливается оптимальное суммарное содержание в проволоке элементов-модификаторов V+Nb≤0,15.

Регламентирование суммарного содержания вредных примесей S+P+N₂+O₂≤0,030 способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла шва за счет снижения содержания в структуре неметаллических включений и уменьшения сегрегации вредных примесей по границам зерен и по границам фаз.

Суммарное ограничение содержания цветных примесей - As+Sb+Sn≤0,015 способствует повышению хладостойких свойств металла шва после проведения термической обработки - высокого отпуска.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в изменении соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также регламентированном содержании примесных элементов с целью обеспечения высоких хладостойких свойств металла шва сварных соединений из низколегированных хладостойких сталей при температурах до минус 60°С.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в снижении хладостойкости метала шва при отрицательных температурах.

На производственно-экспериментальной базе ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" был проведен комплекс работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения механических и хладостойких свойств представлены в табл. №1-3. Термическая обработка (отпуск) была выполнена по стандартному режиму, соответствующему свариваемой стали и применительно к режиму отпуска элементов ТУК МБК (650±10°С - 8 ч).

Ожидаемый технико-экономический эффект при использовании предлагаемого сварочного материала выразится в сохранении ядерной и экологической безопасности в местах длительного хранения и при транспортировке отработавшего ядерного топлива, за счет обеспечения требуемой хладостойкости металла шва сварных соединений ТУК МБК при всех условиях эксплуатации, включая аварийные ситуации. Кроме того, использование при сварке безникелевого экономно легированного сварочного материала позволит значительно сократить материальные затраты при изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.

Таблица 2 Результаты испытаний на ударный изгиб металла шва заявляемого и известного сварочного материала Сварочный материал № партии условный Ударная вязкость KCV, Дж/см² Исходное состояние после сварки После термической обработки* -20°С -40°С -50°С -60°С -20°С -40°С -50°С -60°С     192 156 98 78 196 158 96 75   1 187 151 95 77 190 155 96 72     181 151 92 75 185 152 94 70     186 149 94 76 188 146 91 73 Предлагаемый 2 182 147 91 73 181 144 89 70     177 143 89 73 180 142 85 67     183 140 90 71 179 138 89 71   3 179 139 85 69 175 135 85 67     171 134 81 67 168 133 82 65     125 116 28 21 96 98 41 14 Известный 4
(прототип) 107 102 64 49 90 84 32 18     102 96 81 45 85 87 23 21     96 40 17 14 86 34 15 12 Известный 5 (аналог) 89 29 17 12 83 25 13 10     85 23 15 11 79 19 11 9 * - высокий отпуск 650±10°С - 8 ч.

Таблица 3 Механические свойства* металла шва заявляемого и известного сварочного материала Сварочный материал № партии условный В состоянии после сварки, Тисп=+20°С После термической обработки** Тисп=+20°С Rm, МПа Rp_0.2 МПа А, % z, % Rm, МПа Rp_0.2 МПа A, % z, %   1 540 470 33 65 510 440 35 68 Предлагаемый 2 560 480 31 63 540 460 34 66   3 585 530 30 60 560 510 31 63 Известный 4 (прототип) 590 560 28 54 576 540 32 60 Известный 5 (аналог) 570 540 32 62 550 470 33 63 * - среднее значение испытания двух образцов на точку, ** - высокий отпуск 650±10°С - 8 ч.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сварочных материалов, используемых в атомной энергетике для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали для транспортно-упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С. Материал содержит углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, ванадий, медь, железо и примеси в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,03-0,10, кремний 0,40-0,65, марганец 1,80-2,10, никель 0,10-0,30, ниобий от более 0,05 до 0,10, ванадий от 0,05 до менее 0,10, медь 0,05-0,30, железо и примеси - остальное. В качестве примесей материал содержит (мас.%): азот 0,005-0,010, кислород 0,005-0,010, серу 0,006-0,010, фосфор 0,006-0,010, мышьяк 0,005-0,010, сурьму 0,001-0,005 и олово 0,001-0,005. При этом соблюдаются следующие соотношения: V+Nb≤0,15, S+Р+N₂+О₂≤0,030 и As+Sn+Sb≤0,015. Обеспечивается ядерная и экологическая безопасность в местах длительного хранения и при транспортировке отработавшего ядерного топлива за счет обеспечения требуемой хладостойкости металла шва. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Сварочный материал для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов хладостойких низколегированных сталей, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, ванадий, медь, железо и примеси, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,03-0,10 кремний 0,40-0,65 марганец 1,80-2,10 никель 0,10-0,30 ниобий от более 0,05 до 0,10 ванадий от 0,05 до менее 0,10 медь 0,05-0,30 железо и примеси остальное,

2. Сварочный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит азот, кислород, серу, фосфор, олово, сурьму и мышьяк при следующем их содержании, мас.%:
азот 0,005-0,010 кислород 0,005-0,010 сера 0,006-0,010 фосфор 0,006-0,010 мышьяк 0,005-0,010 сурьма 0,001-0,005 олово 0,001-0,005,