СОСТАВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ
WELDING WIRE COMPOSITION

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для ручной и автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и атомном энергетическом машиностроении.
к0
Для обеспечения надежности и долговечности оборудования сварочные материалы должны обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупко-вязкого перехода (Т), стойкостью против тепловой хрупкости, отсутствием существенной деградации свойств металла шва под воздействием нейтронного облучения.
к0
В настоящее время значительная часть энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2МФА (ТУ 5.961-11060-77), которая содержит 2,5-3,0% Cr, 0,6-0,8% Мо, 0,25-0,35% V, обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 500°С, а также низкой температурой хрупко-вязкого перехода (Т<-30°). Согласно действующей в атомной энергетике нормативной документации температура послесварочных отпусков не должна превышать 680°С.
Для сварки этой стали применяется сварочная проволока Св-10ХМФТУ по ТУ 14-1-4914-90.
Наиболее близким по составу является состав сварочной проволоки по патенту Российской Федерации №2194602, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %:
Углерод
0,07-0,12
Азот
0,003-0,012
Кремний
0,15-0,40
Кислород
0,001-0,005
Марганец
0,3-1,2
Олово
0,0001-0,001
Хром
1,5-2,5
Сурьма
0,001-0,008
Никель
0,01-0,2
Мышьяк
0,001-0,01
Молибден
0,4-1,2
Кобальт
0,005-0,02
Ванадий
0,05-0,25
Свинец
0,001-0,01
Титан
0,01-0,15
Сера
0,001-0,006
Медь
0,01-0,06
Фосфор
0,001-0,006
Алюминий
0,005-0,05
Железо
остальное
При этом должны обеспечиваться следующий соотношения:
-2
(3,75Cr+V)×10/(0,028C+N)=3,7…19,5
3
0,07Cu+P+(Co+Ni)≤0,021
к0
Недостатком указанного состава является высокая температура хрупко-вязкого перехода (Т≤0°С) металла сварных швов, выполненных этой проволокой после отпуска при температуре 670±10°С. Температура хрупко-вязкого перехода сварных швов, расположенных напротив активной зоны, является основным фактором, лимитирующим продолжительность срока службы корпуса атомного реактора и всей АЭС в целом.
Техническим результатом настоящего изобретения явилось снижение температуры хрупко-вязкого перехода металла сварных швов до -20°С одновременно с обеспечением высокой стойкости к тепловому и радиационному охрупчиванию.
Поставленный в заявке технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки кальция и натрия и увеличением содержания никеля.
Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:
Углерод
0,10-0,12
Кислород
0,001-0,005
Кремний
0,15-0,25
Олово
0,0001-0,001
Марганец
0,5-0,7
Сурьма
0,001-0,005
Хром
1,6-1,8
Мышьяк
0,001-0,080
Никель
0,21-0,30
Кобальт
0,005-0,020
Молибден
0,5-0,6
Свинец
0,001-0,010
Ванадий
0,20-0,25
Сера
0,001-0,006
Титан
0,05-0,10
Фосфор
0,001-0,006
Медь
0,01-0,06
Кальций
0,005-0,030
Алюминий
0,005-0,015
Натрий
0,001-0,005
Азот
0,003-0,015
Железо
остальное
Нормирование содержания легирующих выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для достижения необходимой стабильности основных физико-механических свойств в условиях работы корпуса атомного реактора должно соблюдаться следующее условие:
2
Q=(Ni+Co)+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,29
где Q - критерий охрупчивания в условиях облучения.
Увеличение вязких характеристик при пониженных температурах достигается за счет легирования кальцием и натрием. В указанных пределах такое легирование способствует очищению границ зерен и повышению вязких и пластичных свойств металла сварного шва. Дальнейшее повышение содержания кальция и натрия приводит к увеличению неметаллических включений по границам зерен и, как следствие, снижению значений пластичности и ударной вязкости.
к0
Увеличение содержания никеля также позволяет добиться требуемого увеличения вязкости, пластичности стали и снижения ее температуры хрупко-вязкого перехода (Т). Кроме того, никель положительно влияет на прокаливаемость стали, что немаловажно при толщинах свариваемых деталей, применяемых в корпусах реакторов. При содержании никеля менее 0,21% его влияние практически не сказывается на механические свойства металла шва. Превышение содержания никеля выше заданного предела ведет к значительному увеличению склонности металла к радиационному охрупчиванию при эксплуатации.
Совместное влияние никеля с марганцем приводит к резкому снижению стойкости стали к радиационному охрупчиванию. Дабы уменьшить их негативное влияние на радиационную стойкость стали, был снижен верхний предел содержания марганца до 0,7%.
На основании экспериментальных исследований было установлено, что на радиационное охрупчивание металла сварного шва кроме никеля и марганца также влияют такие элементы, как медь, сурьма, фосфор и олово, поэтому было ограничено их общее содержание в металле шва следующим условием:
2
Q=(Ni+Co)+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,29
Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения требуемых характеристик прочности и пластичности, а также высокой стойкости к охрупчиванию под воздействием нейтронного облучения и высокотемпературного воздействия на металл сварных швов.
При легировании сварной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к радиационному охрупчиванию, снижению характеристик пластичности и вязкости.
На производственной базе ОАО "Ижорские заводы" ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы в натурном сечении и проведены их испытания.
Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств представлены в табл. №1-3. Термическая обработка (отпуск) была выполнена по стандартным режимам, соответствующим свариваемой стали и применительно к режимам отпуска элементов корпусов реакторов (655±10°С-15 ч+670±10°С-20 ч).
Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов реакторов АЭУ перспективных проектов выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса изделий при обеспечении повышенной безопасности.
Таблица №1
Химический состав плавок
№ плавки
Содержание элементов, %
С
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
Ti
Си
A1
N
O
1
0,14
0,32
0,80
1,95
0,35
0,62
0,28
0,15
0,08
0,020
0,021
0,006
2
0,12
0,25
0,70
1,80
0,21
0,60
0,25
0,10
0,06
0,015
0,015
0,005
3
0,11
0,20
0,60
1,70
0,25
0,55
0,22
0,07
0,03
0,010
0,010
0,003
4
0,10
0,15
0,50
1,60
0,30
0,50
0,20
0,05
0,01
0,005
0,003
0,001
5
0,08
0,10
0,45
1,45
0,18
0,43
0,18
0,01
0,01
0,002
0,001
0,001
6(прототип)
0,10
0,28
0,80
2,00
0,15
0,80
0,30
0,08
0,02
0,010
0,010
0,003
№ плавки
Содержание элементов, %
Критерий радиационного охрупчивания
Sb
Sn
As
Co
Pb
S
Р
Ca
Na
Fe
1
0.006
0,0020
0,081
0,025
0,012
0,008
0,008
0,035
0,006
Остальное
0,43
2
0,005
0,0010
0,080
0,020
0,010
0,006
0,001
0,030
0,005
0,29
3
0,002
0,0005
0,040
0,009
0,004
0,003
0,003
0,015
0,002
0,24
4
0,001
0,0001
0,001
0,005
0,001
0,001
0,006
0,005
0,001
0,21
5
0,001
0,0001
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
0,003
0,001
0,14
6(прототип)
0,004
0,0005
0,005
0,015
0,005
0,004
0,003
-
-
0,22
Таблица 2
Механические свойства металла шва
№плавка
Механические свойства при Т<sub>исп</sub>=+20°С
Ударная вязкость и % волокна в изломе (В)
Т<sub>к0</sub>
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
KCV
В
МПа
МПа
%
%
Дж/см<sup>2</sup>
%
°С
1
710 600 590
590 585 580
12 15 16
30 35 35
56 64 44
10 15  9
+30
2
570 590 600
520 520 540
16 16 20
62 63 70
156 140 218
100 100 90
-20
3
560 570 580
490 500 510
18 19 17
71 73 71
220 195 231
100 100 100
-25
4
560 540 560
470 450 460
23 21 22
75 71 71
224 240 234
100 100 100
-35
5
490 500 530
400 270 390
25 33 28
80 76 74
231 225 270
100 100 100
-40
6 (прототип)
590 610 630
550 530 560
18 16 15
56 61 55
128 93 112
45 32 48
0
Таблица 3
Свойства после облучения и сдвиг Т<sub>к0</sub> в результате облучения
№плавки
Значения Т<sub>к0</sub>
ΔТ<sub>к0</sub>
После сварки и высокого отпуска
После нейтронного облучения
1
+30
+70
40
2
-20
+10
30
3
-25
0
25
4
-35
-20
15
5
-40
-30
10
6 (прототип)
0
+25
25