СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВАРКИ ХЛАДОСТОЙКИХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
WELDING MATERIAL FOR WELDING COLD-RESISTANT LOW-ALLOYED STEELS

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
-20°С
2
-50°С
2
-60°С
2
Данный материал при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов не обеспечивает хладостойкости металла шва при температуре ниже минус 20°С: KCV=79÷96 Дж/см; KCV=11÷17 Дж/см; KCV=9÷14 Дж/см(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
-40°C
2
-50°C
2
-60°C
2
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=116÷84 Дж/см; KCV=23÷81 Дж/см; KCV=14÷49 Дж/см (таблица 2).
2
-50°С
2
-60°С
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/см при температуре минус 60°С: KCV=84÷96 Дж/см; KCV=64÷81 Дж/см (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;
2
2
- суммарное содержания примесей не должно превышать S+P+N+O≤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.
2
2
Регламентирование суммарного содержания вредных примесей S+P+N+O≤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/см<sup>2</sup>
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<sub>0.2</sub> МПа
А, %
z, %
Rm, МПа
Rp<sub>0.2</sub> 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.