ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ И ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ
FLUX-CORED WIRE FOR MECHANIZED AND LASER-ARC WELDING OF LOW-ALLOY HIGH-STRENGTH STEELS

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к сварочным порошковым проволокам и может быть использовано для механизированной сварки в среде защитных газов и лазерно-дуговой сварки низколегированных высокопрочных сталей с пределом текучести до 690 МПа в различных отраслях промышленности, например, в судостроительной или нефтехимической промышленности.
Судостроение и машиностроение в последние годы получили новые направления развития, обуславливаемые появлением перспективного класса низколегированной стали высокой прочности.
Научно-исследовательские работы, выполненные ранее, показали, что применение сталей такого типа в ряде отраслей промышленности позволит расширить область их применения.
Несмотря на то, что эксплуатация судов различного назначения происходит во всевозможных условиях, основные требования к сварным соединениям остаются неизменными: необходимая прочность, способность сопротивляться воздействию статических, циклических и динамических нагрузок, устойчивость к воздействию морской воды. Кроме того, используемые при этом сварочные материалы должны обладать высокими технологическими характеристиками: минимальным разбрызгиванием металла, хорошей отделимостью шлаковой корки, отсутствием дефектов, высокой производительностью.
Для обеспечения эксплуатационных свойств корпусных конструкций изделий морской техники и различных объектов, создаваемых из стали данного класса необходима разработка соответствующих сварочных материалов.
Разработка сварочной порошковой проволоки для механизированной и лазерно-дуговой сварки низколегированных высокопрочных сталей ранее не производилась. В связи с чем, задача по ее разработке является актуальной.
Создание порошковой проволоки для механизированной и лазерно-дуговой сварки низколегированных высокопрочных сталей, обеспечивающей весь комплекс эксплуатационных свойств, позволяет механизировать процесс сварки и повысить его производительность.
Известна сварочная порошковая проволока марки 48ПП-10Т [1; 2] (прототип), предназначенная для механизированной сварки в защитном газе низколегированных хладостойких сталей нормальной и повышенной прочности, содержащая в своем составе компоненты при следующем соотношении, мас. % от проволоки:
Двуокись титана
4,21-7,32
Полевой шпат
0,50-1,50
Электрокорунд
0,21-0,71
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
ост.,
при этом оболочка составляет 78-88,8% от общей массы проволоки, а комплексная лигатура содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
Лантан
15-40
Празеодим
1-10
Церий
15-20
Неодим
3-7
Железо
ост.
Данная проволока не обеспечивает требования, предъявляемые к сварным соединениям низколегированных высокопрочных сталей с пределом текучести 690 МПа.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание порошковой проволоки для механизированной и лазерно-дуговой сварки конструкций из низколегированных высокопрочных сталей с пределом текучести до 690 МПа включительно.
Технический результат достигается тем, что в порошковую проволоку для механизированной и лазерно-дуговой сварки низколегированных высокопрочных сталей, состоящую из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей шлаковую основу, ферросилиций, марганец, порошок алюминиево-магниевый, никель, железный порошок, жидкое стекло литиево-калиевое, дополнительно введены феррохром, ферромолибден, ферробор и ферротитан, а шлаковая основа содержит рутиловый концентрат, плавиковый шпат, жидкое стекло литиево-калиевое при следующем соотношении компонентов, мас. % от проволоки:
Шлаковая основа
8,63-8,65
Ферросилиций
0,45-0,65
Марганец
1,4-2,3
Порошок алюминиево-магниевый
0,3-0,6
Никель
2,1-2,2
Ферромолибден
0,45-0,55
Феррохром
0,04-0,06
Ферробор
0,03-0,065
Ферротитан
0,02-0,03
Железный порошок
1,55-2,82
Жидкое стекло литиево-калиевое
0,3-0,6
Оболочка из низкоуглеродистой стали
ост.
при этом шлаковая основа содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
Рутиловый концентрат
84-94
Плавиковый шпат
3-8
Жидкое стекло литиево-калиевое
3-8
2
При выборе системы легирования металла шва для обеспечения требуемых прочностных характеристик был использован опыт разработки низколегированных сварочных материалов (электродов, флюсов и т.д.) для сварки судостроительных сталей с пределом текучести до 590 Н/мм, а также материалов зарубежного производства аналогичного назначения. Как наиболее перспективная для реализации поставленной задачи была выбраны система легирования металла шва: углерод-кремний-марганец-никель-молибден, которая позволяет обеспечить уровень предела текучести не ниже требуемого.
При легировании стали марганец не только выполняет функции раскислителя, но и обеспечивает повышение прочности металла шва до необходимого уровня. Способность марганца связывать серу в сульфиды глобулярной формы позволяет повысить пластичность шва и его работу удара.
Легирование шва молибденом обеспечивает более высокие показатели механических свойств металла шва, а именно предел текучести и временное сопротивление разрыву, благоприятно влияя на его коррозионную стойкость.
Никель также повышает сопротивление металла шва хрупким разрушениям, повышает его работу удара при отрицательных температурах, коррозионную стойкость и пластичность до требуемого уровня. Темп роста предела текучести значительно ниже, чем при введении кремния и марганца, однако наиболее благоприятно влияние никеля на вязкость металла шва.
Хром позволяет в значительной степени добиться увеличения прочности и коррозионной стойкости металла шва. Также хром измельчает структуру и благотворно влияет на механические характеристики металла шва. Повышение содержания хрома выше указанного верхнего предела приведет к чрезмерному росту прочности шва и охрупчиванию, т.е. будет способствовать снижению пластичности металла шва.
Введение бора и титана в небольших количествах вызывает значительное измельчение зерен в результате упрочнения границ зерен. Модифицирование титаном увеличивает зарождение центров кристаллизации.
С целью повышения сварочно-технологических свойств проволоки в состав наполнителя введено литиево-калиевое жидкое стекло, используемое так же для агломерации компонентов наполнителя. Литий и калий снижают потенциал ионизации дуги, что приводит к уменьшению разбрызгивания электродного металла, стабильному горению дуги.
Изготовление предлагаемой сварочной проволоки включает в себя следующие технологические операции:
- размол, просев и прокалка компонентов наполнителя;
- дозировка компонентов наполнителя;
- смешивание компонентов наполнителя;
- просев и прокалка компонентов наполнителя;
- формирование и заполнение проволоки;
- волочение проволоки;
- прокалка проволоки для удаления волочильной смазки;
- намотка проволоки на катушки или кассеты.
Волочение проволоки на готовые размеры производят с применением волочильной смазки в соответствии с рекомендуемыми режимами.
Было изготовлено три варианта составов, в таблице 1 в качестве примера приведены возможные варианты составов наполнителя (оболочка из низкоуглеродистой стали – остальное) предлагаемой сварочной порошковой проволоки, условно обозначенных I, II, III. Там же приведен состав наполнителя проволоки-прототипа, использованной для сравнения, условно обозначенный IV.
В таблице 2 приведены химические составы металлов швов, сваренных с использованием приведенных в таблице 1 вариантов составов, а в таблице 3 - механические свойства металла швов указанных вариантов порошковой проволоки.
В таблице 4 представлены дополнительные свойства (сварочно-технологические характеристики) составов I, II, III, IV.
Оптимальные пределы содержания компонентов сварочной порошковой проволоки заявленных составов, а также их соотношения определяли по результатам оценки сварочно-технологических свойств и механических испытаний металла сварных швов образцов.
Исходя из результатов испытаний по определению механических свойств, сварочно-технологических свойств порошковой проволоки, а также на основании микроструктурного исследования металла шва был определен оптимальный состав предлагаемой сварочной порошковой проволоки, которым является состав II, содержание компонентов которых указано в таблице 1.
Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав II сварочной порошковой проволоки, по сравнению с известным, позволяет добиться требуемой ударной вязкости и прочности металла шва. Как видно из таблицы 4, заявленный состав II, помимо хороших механических свойств, обеспечивает высокие сварочно-технологические свойства.
Таким образом, предлагаемый состав сварочной порошковой проволоки для механизированной сварки в среде защитных газов и лазерно-дуговой сварки низколегированных высокопрочных сталей с пределом текучести до 690 МПа включительно позволяет обеспечить стабильность механических свойств, а также обеспечить высокие сварочно-технологические характеристики, что в значительной мере расширяет ее технологические возможности по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. ТУ 5.965-11888-2005 «Проволока сварочная порошковая марки 48ПП-10Т. Технические условия».
2. Патент РФ №2300452 С1, 10.06.2007.