Сварка трубных сталей высокой прочности с применением порошковых проволок

УДК 621.791.75

СВАРКА ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРОШКОВЫХ ПРОВОЛОК

Д.С. Яковлев, М.В. Шахматов

Приведена оценка уровня ударной вязкости металла швов, выполненных многодуговой сваркой под слоем флюса. С использованием порошковой проволоки на примере пластин проведена сварка под слоем флюса. Приведены результаты химического анализа и механических испытаний сварных соединений, результаты микроисследования. На основе полученных результатов сделан вывод о возможности применения порошковой проволоки для сварки трубных сталей высокой прочности при одновременном повышении ударной вязкости сварных соединений за счет их легирования.

Ключевые слова: сварка труб, порошковая проволока, автоматическая сварка под слоем флюса, легирование.

В связи с ростом требований к газонефтепро-водным трубам большого диаметра актуальной остается задача повышения ударной вязкости металла швов, выполненных многодуговой сваркой под слоем флюса. Эффективным способом решения является микролегирование швов титаном и бором, что улучшает структуру металла, способствуя образованию игольчатого феррита внутри зерен и подавлению выделений первичного феррита по их границам [1].

Известно, что для получения сварного соединения с высокой ударной вязкостью необходимым требованием является достижение определенного баланса между титаном, бором, кислородом, азотом, а также активными раскислительными элементами - алюминием, кальцием, редкоземельными металлами. Подавление формирования первичного феррита по границам зерен обеспечивается наличием бора, оставшегося после образования оксида В2О3 и нитрида В№. Зародышами для формирования игольчатого феррита внутри аустенит-ного зерна в основном являются дисперсные частицы оксида титана ТІО, образовавшегося в результате соединения титана со свободным кислородом [2].

Несмотря на высокую стоимость, одним из главных преимуществ порошковой проволоки над проволоками сплошного сечения является возможность микролегирования сварного соединения в широких пределах. В работе [3], легирование многодугового шва выполнялось порошковой проволокой, причем оптимальное ее расположение было установлено на второй или третьей дуге.

С учетом этих рекомендаций, а также принимая во внимание результаты полученные в работе [4] были проведены экспериментальное исследование и оценка ударной вязкости сварных соединений, выполненных с использованием порошковой проволоки, легированной титаном, бором, молибденом и никелем. Для сварки было выбрано три марки порошковой проволоки (ПП-1, ІII1-2. ПП-3) диаметром 4 мм, которые были установле-

ны на второй дуге. На остальных дугах использовали проволоку сплошного сечения. Для оценки свойств сварного соединения одна из пластин была сварена без использования порошковой проволоки.

По химическому составу выбранные для эксперимента порошковые проволоки схожи, но характеризуются рядом отличий:

1) проволоки ПП-1 и ПП-2 легированы Ті, Мо, №і, при этом содержание № в проволоке ПП-1 значительно выше;

2) проволока ПП-3 микролегирована Ті и Мо.

Сочетания сварочных проволок сплошного

сечения и порошковой проволоки подбиралось таким образом, чтобы наплавленный металл имел близкий химический состав (за исключением содержания №і).

На лабораторном сварочном стане были сварены пластины из стали класса прочности К65 с толщиной стенки 27,7 мм (табл. 1). Технологический шов был выполнен автоматической сваркой в смеси защитных газов (Аг+С02), внутренний и наружный шов - 4- и 5-дуговой автоматической сваркой под флюсом. Режимы сварки пластин одинаковые.

Сваренные пластины прошли визуальноизмерительный и радиографический контроль, который показал отсутствие дефектов.

От сварных соединений пластин были отобраны образцы для испытаний на растяжение, ударный изгиб, определения химического состава сварных швов и микроисследования.

Результаты химического анализа приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что сварные соединения имеют достаточно близкий химический состав, за исключением Пл-1и Пл-2, где содержание № выше. Небольшие отличия в содержании Мп и Si объясняются металлургической активностью флюса.

Результаты испытаний сварных соединений на растяжение и ударный изгиб приведены в табл. 3 и 4 соответственно.

Таблица 1

Варианты сварки пластин

Номер соединения Основной металл Сварочный материал

Пл-1 Пластины из стали класса прочности К65 с толщиной стенки 27,7 мм Сочетание проволок сплошного сечения с порошковой проволокой ПП-1

Пл-2 Сочетание проволок сплошного сечения с порошковой проволокой ПП-2

Пл-3 Сочетание проволок сплошного сечения с порошковой проволокой 1111-3

Пл-4 Сочетание проволок сплошного сечения

Таблица 2

Химический состав сварных соединений

№ Шов Массовая доля элементов, %

С Мп Si Р S Сг №і Си V А1 Мо Ті №Ь В Са

Пл-1 Нар 0,07 1,72 0,39 0,011 0,004 0,07 0,82 0,08 0,018 0,012 0,25 0,018 0,03 0,0015 0,0005

Вн. 0,07 1,82 0,44 0,012 0,004 0,07 0,80 0,07 0,016 0,013 0,20 0,019 0,04 0,0018 0,0004

Пл-2 Нар. 0,07 1,56 0,27 0,011 0,003 0,07 0,59 0,07 0,02 0,01 0,25 0,025 0,03 0,0025 0,0002

Вн. 0,07 1,63 0,29 0,011 0,003 0,07 0,61 0,07 0,02 0,02 0,21 0,034 0,04 0,0032 0,0003

Пл-3 Нар. 0,06 1,69 0,31 0,010 0,003 0,06 0,12 0,07 0,02 0,01 0,22 0,030 0,03 0,0024 0,0002

Вн. 0,06 1,76 0,28 0,010 0,003 0,07 0,14 0,07 0,02 0,01 0,23 0,031 0,03 0,0026 0,0002

Пл-4 Нар. 0,07 1,58 0,28 0,015 0,004 0,07 0,13 0,07 0,02 0,001 0,19 0,025 0,04 0,0024 0,0001

Вн. 0,07 1,58 0,23 0,014 0,005 0,07 0,15 0,07 0,02 0,01 0,22 0,023 0,04 0,0022 0,0003

Таблица 3

Испытания сварного соединения на растяжение, образцы цилиндрические продольные от наружного шва

Номер образца Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, %

Пл-1 640 710 23,5

Пл-2 650 720 25,0

Пл-3 620 710 23,5

Пл-4 620 690 23,0

Таблица 4

Испытания сварного соединения на ударный изгиб KCV, образцы поперечные 2 мм от наружной поверхности

Номер образца Ударная вязкость, Дж/см

КСУ при -40°С КСУ при -60°С

Металл шва ЗТВ Металл шва ЗТВ

Пл-1 252 193 191 240 233 241 207 180 165 87 163 134

Пл-2 169 144 135 186 244 193 133 132 89 173 61 206

Пл-3 174 143 179 215 221 243 83 160 169 81 104 50

Пл-4 158 234 146 128 98 63 146 188 141 30 38 30

Согласно данным табл. 3, величины предела текучести и предела прочности металла всех образцов сварных соединений сопоставимы.

Испытания сварного соединения на ударный изгиб KCV (см. табл. 4) показывают, что при температурах испытания -40 и -60 °С образцы с надрезом по металлу шва имеют достаточно хорошую

ударную вязкость. При нанесении надреза по ЗТВ ударная вязкость сварных соединений, выполненных с применением порошковой проволоки, выше, чем при сварке проволоками сплошного сечения. Наилучшими показателями ударной вязкости обладает сварное соединение Пл-1, выполненное с применением порошковой проволоки ПП-1. На рисунке

150 ci 100

50

0

Средние значения ударной вязкости сварных соединений

приведена диаграмма, построенная по средним значениям ударной вязкости.

В результате проведенного микроисследования выявлено, что микроструктура металла сварных швов Пл-1 и Пл-2 бейнитная мелкодисперсная с тонкими ферритными прослойками между кристаллитами. Сварные швы Пл-3, Пл-4 характеризуются более крупной структурой и не отличаются мелкодисперсностью.

Выводы

Результаты проведенных испытаний на ударный изгиб свидетельствуют о том, что микролегирование сварных швов титаном и бором повышает ударную вязкость сварных соединений, при этом дополнительное легирование Ni (см. рисунок, пластины Пл-1 и Пл-2) также способствует увеличению уровня ударной вязкости при низких температурах.

Сварные соединения, выполненные с применением порошковой проволоки, имеют более высокие значения ударной вязкости на образцах с надрезом по ЗТВ (по сравнению со сварными соединениями, выполненными проволоками сплошного сечения).

Обобщая таким образом результаты данного исследования и результаты работы [4], можно сделать вывод, что применение порошковой проволоки для сварки трубных сталей высокой прочности является одним из путей повышения ударной вязкости сварных соединений за счет широкой возможности легирования сварных соединений, в ча-

стности Ti и Ni. Кроме того, применение порошковой проволоки даже на одной из дуг благодаря высокому коэффициенту расплавления позволит несколько снизить погонную энергию, что оказывает благоприятное влияние на микроструктуру сварного шва и, как следствие, на механические свойства. Соответственно, одним из эффективных путей в получении сварных соединений с высокими механическими характеристиками в процессе сварки порошковой проволокой является решение задачи подбора оптимального химического состава порошковой проволоки.

Литература

1. Микролегирование швов титаном и бором при многодуговой сварке газонефтепроводных труб большого диаметра / Л.И. Файнберг, А.А. Рыбаков, А.Н. Алимов, Р. Розерт // Автоматическая сварка. - 2007. - № 5. - С. 20-25.

2. Подгаецкий, В.В. О влиянии химического состава шва на его микроструктуру и механические свойства / В.В. Подгаецкий // Автоматическая сварка. - 1991. - № 2. - С. 1-9.

3. Engindeniz, E. Unterpulver - Hochleistungs-schweissen mit Fülldrahtelektroden / E. Engindeniz // Ibid. - 1994. - № 130, April. - S. 11-20.

4. Яковлев, Д.С. Анализ различных типов сварочных проволок для сварки трубных сталей при толщинах более 25,0 мм / Д. С. Яковлев // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Металлургия». - 2012. - Вып. 11, № 5 (12). - С. 30-32.

Яковлев Дмитрий Сергеевич, инженер-исследователь группы технологии сварки, ОАО «Челябинский трубопрокатный завод». 454129, г. Челябинск, ул. Машиностроителей, 21. E-mail: dmitriy.yakovlev88 @hotmail.com.

Шахматов Михаил Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой оборудования и технологии сварочного производства, Южно-Уральский государственный университет. Тел.: (351)2679960.

Bulletin of the South Ural State University Series "Metallurgy”

__________________________________________________2013, vol. 13, no. 1, pp. 218-221

FLUX-CORED WELDING PIPES MADE FROM HIGH-STRENGTH STEELS

D.S. Yakovlev, M.V. Shakhmatov

The article presents the assessing of the level of the impact toughness of metal weld made by multiarc submerged arc welding. Submerged arc welding using cored wire is performed with plates as an example. The article presents the results of mechanical tests, chemical analysis and microstructural study of the welded joints. The obtained results permitted to draw a conclusion about the possibility of using cored wire for welding pipes made of high-strength steels leading to the increase of impact toughness of welds due to their alloying.

Keywords: pipe welding, flux cored wire, automatic submerged arc welding, alloying.

Yakovlev Dmitriy Sergeevich, research engineer of the Welding Technology Group, JSC “Chelyabinsk Pipe-Rolling Plant”. 21 Mashinostroiteley street, Chelyabinsk, Russia 454129. E-mail: dmitriy.yakovlev88 @hotmail.com.

Shakhmatov Mikhail Vasil’evich, doctor of engineering science, professor, head of the Welding Equipment and Technology Department, South Ural State University. 76 Lenin avenue, Chelyabinsk, Russia 454080. Tel.: 7(351)2679960.

Поступила в редакцию 15 марта 2013 г.