Способ сварки стальных конструкций Советский патент 1992 года по МПК B23K9/23 B23K35/30 

Изобретение относится к сварке, а именно к сварке стальных конструкций, например корпусов судов ледового плавания и ледоколов, которые эксплуатируются в условиях повышенного коррозионно-эрозионного износа от воздействия морской воды и содержащего песок льда, одновременно корпуса подвергаются значительным динамическим и циклическим нагрузкам в сочетании с низкими (до -40-50°С) температурами, в результате чего возникает опасность хрупкого разрушения, особенно в зоне сварного шва.

Для защиты от коррозии широко используют различные лакокрасочные и металлизационные покрытия. Однако опыт эксплуатации атомных ледоколов типа Сибирь и Таймыр показывает, что все покрытия, даже наилучшее известное финское Инерта-160, не выдерживают одной навигации при плавании в тяжелых зимних льдах Северного морского пути. В результате часть корпуса, лишенная защитных покрытий, подвергается усиленному коррозион- но-эрозионному износу.

Системы электрохимической защиты также недостаточно устойчивы в условиях ледового плавания и не гарантируют надежной защиты сварных швов.

XI

со

00

ел

СА VI

Известен и широко применяется способ сварки корпусных конструкций низколегированными (ферритными) сварочными материалами. Сварочный материал, обладая равной прочностью с основным металлом, имеет более низкий электрохимический потенциал по водороду. В результате при отсутствии надежной антикоррозионной защиты в условиях ледового плавания происходит повышенное, по сравнению с основным метал- лом, коррозионно-эрозионное разъедание металла шва. Это ведет к снижению конструктивной прочности корпуса, появлению концентраторов, повышающих опасность хрупкого разрушения при пониженных тем- пературах и большому объему дорогостоящих восстановительных работ, выводящих суда из эксплуатации. Подбор ферритных сварочных материалов с близким к основному металлу электрохимическим потенциа- лом не дает должного эффекта. Это объясняется тем, что на практике при строительстве корпусов крупнотоннажных судов и ледоколов, имеющих большую протяженность сварных швов, невозможно подобрать партию сварочных материалов одного состава. Кроме того, ликвация легирующих элементов при кристаллизации шва приводит к разнице потенциалов между швом и основным металлом, когда шов ста- новится протектором в электрохимической паре шов - основной металл. Применение более легированных ферритных сварочных материалов ограничено их меньшей сопротивляемостью хрупким разрушениям при пониженных температурах и худшей технологичностью при выполнении операций сварки.

Использование аустенитных сварочных материалов не обеспечивает равнопрочно- сти сварного шва основному металлу для высокопрочных сталей, а также существенно удорожает конструкцию.

Наиболее близким к предлагаемому является способ дуговой сварки сталей, при котором сварка глубокоаустенитных сталей выполняется в два слоя, причем внешний слой наплавляется коррозионно-стойкой сталью, а внутренний - ферритными (низколегированными) сварочными материалами, что позволяет избегать горячих трещин при сварке глубокоаустенитных сталей.

Недостатком известного способа является то, что он разработан применительно к сварке глубокоаустенитных сталей и непри- меним для сварки конструкций из феррит- ной стали, работающих в условиях коррозионно-эрозионного износа, по причине отсутствия ограничений в величине разности электрохимического потенциала

между облицовкой и основным металлом, что определяется химическим составом аус- тенитного слоя. Кроме того, в известном способе не оговорена критическая температура хрупкости облицовочного слоя, почему не гарантируется в сварном соединении сопротивляемость хрупким разрушениям при пониженных температурах на уровне основного металла.

Целью изобретения является повышение стойкости сварного шва против коррозионно-эрозионного износа и сопротивляемости сварной конструкции хрупким разрушениям при пониженных температурах.

Цель достигается тем, что ферритные швы дополнительно облицовываются без нарушения сплошности сталью аустенитно- го класса с плавным перекрытием зоны термического влияния. При этом аустенитная сталь имеет химический состав, мас.%: Углерод0,01-0,12

Кремний02-2,2

Марганец1,0-2,3

Хром15,0-21,0

Никель9,0-26,0

Молибден0,1-7,0

Ванадий0,05-1,6

Титан0,1-0,35

Азот0,02-0,20

ЖелезоОстальное

и электрохимический потенциал по водороду на 400-500 м В более электроположительный, чем свариваемая ферритная сталь, причем критическая температура хрупкости Ткзо аустенитной наплавки на 100-120°С ниже, чем у ферритной основы шва.

Соотношение характеристик (электрохимического потенциала и Ткзо) определяется в первую очередь химическим составом аустенитной наплавки. Превышение разницы электрохимических потенциалов наплавки и основного металла на большую величину приводит к появлению ножевой коррозии. Нижний уровень потенциала аустенитной наплавки определяется химическим составом, гарантирующим отсутствие межкристаллитной коррозии, а также пассивностью аустенитной стали за счет создания защитной пленки.

Величина разности критических температур хрупкости Ткзо определена исходя из необходимости обеспечения хладостойко- сти сварного шва на уровне основного металла.

Для определения оптимального состава аустенитной проволоки облицовки и величины разницы в электрохимических потенциалах и критических температурах изготовлены стыковые пробы из судостроительной стали типа 10ХСНД. Шов выполняли автоматической сваркой проволокой Св- 10ГН под флюсом 48АНК-54 с облицовкой аустенитной проволокой, химический состав которой приведен в табл. 1.

Из полученных сварных проб изготавливали образцы для определения общей коррозии, причем соотношение площади аустенитной наплавки и основного металла выдерживали 1:100, что соответствует соотношению площадей швов и основного металла в составе корпуса. Образцы испытывали в среде синтетической морской воды, содержащей лед, при скорости вращения 450 об/мин. После испытаний в течение 1000 ч скорость коррозии, определенная по величине коррозионного износа образца, для всех соединений находилась в пределах 0,54-0,59 мм/г, что близко к результатам, полученным на корпусе атомного ледокола Сибирь. На этих же образцах определяли подверженность околошовной зоны ножевой коррозии и величину электрохимических потенциалов по водороду различных участков сварного соединения.

Из аустенитной облицовки швов изготовлены образцы для определения склонности к межкристаллитной коррозии по методу АМУ.

Для определения стойкости против хрупких разрушений при пониженных температурах из ферритной основы шва и аустенитной облицовки изготовили образцы на ударный изгиб (тип I), которые испытывали при понижающихся температурах для определения критической температуры хрупкости Ткзо, Ткзо считается минимальная температура, ниже которой величина работы удара ниже 30 Дж. Разность критических температур, полученных для ферритной основы и аустенитной облицовки, приведена в табл.2.

Для оценки хл а достой кости сварных соединений изготовлены и испытаны образцы на двойное растяжение. Для сравнения изготовлены и испытаны образцы из сварного соединения без облицовки и из основного металла.

Увеличение разности критических температур свыше 120°С не имеет практического смысла, так как в этом случае хладостойкость основного металла ниже.

При сохранении равнопрочности сварного соединения предлагаемый способ сварки обеспечивает повышенную сопротивляемость коррозионно-эрозионному износу и стойкость

против хрупкого разрушения при пониженных температурах.

Внедрение изобретения позволит получить значительный народно-хозяйственный эффект за счет снижения коррозионного износа сварных швов и продления сроков межремонтной эксплуатации корпусов судов ледового плавания и ледоколов; повышения работоспособности и надежности при пониженных температуpax; за счет снижения трудоемкости ремонтных работ.

Предлагаемый способ сварки найдет широкое применение не только в судостроении, но и в различных отраслях народного

хозяйства.

Формула изобретения

Способ сварки стальных конструкций, при котором используют низколегированные ферритные сварочные материалы, а с внешней подверженной воздействию коррозионной среды стороны шов наплавляют аустенитными сварочными материалами, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости сварного шва против коррозионно-эрозионного износа и сопротивляемости хрупким разрушениям при низких температурах при сварке конструк- ций из ферритных сталей, для облицовки применяют аустенитную сталь следующего состава, мас.%:

Углерод0,01-0,12

Кремний0,2-2,2

Марганец1,0-2,3;

Хром15-23

Никель9-26

Молибден0,1-7,0

Ванадий0,05-1,6

Титан0,10-0,35

Азот0,02-0,20

ЖелезоОстальное

имеющую критическую температуру хрупкости Ткзо на 100-120°С ниже ферритной ос- новы шва и электрохимический потенциал по водороду на 400-500 мВ, более электроположительный, чем свариваемая сталь .

Таблица 2

Использование: в конструкциях из фер- ритных сталей, работающих в условиях повышенного коррозионно-эрозионного износа, динамических и циклических нагрузок при низких температурах. Сущность изобретения: сварку выполняют низколегированным ферритным материалом. Облицовочный шов аустенитным материалом. Аустенитная сталь облицовки имеет критическую температуру хрупкости Ткзо на 100- 120°С ниже ферритной основы шва. Электрохимический потенциал облицовки по водороду на 400...500 мВ более электроположительный, чем свариваемой стали. Облицовка имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 0,01...0,12; кремний 0,2..,2,2; марганец 1.0...2.3: хром 15.0...23,0; никель 9,0...26,0; молибден 0,1...7,0; ванадий 0,05...1,6; титан 0,10...0,35; азот 0,02..,0,20; железо - остальное. 2 табл. (Л С