Редкоземельная аустенитная порошковая проволока для подводной мокрой сварки высокопрочных сталей
RARE EARTH AUSTENITIC FLUX CORED WIRE FOR UNDERWATER WET WELDING OF HIGH STRENGTH STEELS

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при подводной мокрой механизированной и автоматической сварке и наплавке металлических деталей под водой.
2
2
3
3
3
Известна порошковая проволока для подводной сварки (см. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для подводной сварки мокрым способом. Патент РФ № 2536313, В23К35/368 от 29.07.2013 г. Опубликовано 20.12.2014 г). Проволока содержит стальную оболочку и шихту, при следующем содержании компонентов, масс. %: рутиловый концентрат 23–42; гематит 18–27; железный порошок 28–42; ферромарганец 3–8; никель 3–5; комплексный фторид щелочного металла 5–18. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами и позволяет улучшить качество сварных соединений углеродистых сталей. Однако, указанная проволока не позволяет достичь равнопрочности сварного шва при сварке низколегированных сталей с прочностью более 500–600 МПа. Другой проблемой является низкая плотность шлакообразующих компонентов шихты: рутиловый концентрат из TiO имеет плотность 4,23 г/см, а гематит из FeO имеет плотность 5,25 г/см (см. CRC Handbook of chemistry and physics. 97th edition. Editor-in-chief W.M. Haynes. CRC Press, 2017. 2641 p.). Низкая плотность шлака при импульсной дуговой сварке, а также при дуговой сварке с короткими замыканиями может нарушать шлаковое изолирование поверхности сварочной ванны от воды, что приводит к проникновению воды и водорода в металл сварного шва и вызывает образование газовой пористости в наплавленном металле.
2
2
3
3
Известна порошковая проволока для подводной сварки (см. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для механизированной подводной сварки. Патент РФ № 2595161, В23К35/368 от 09.12.2014 г. Опубликовано 20.08.2016 г). Проволока содержит стальную оболочку и шихту, при следующем содержании компонентов, масс. %: рутиловый концентрат 25–37; плавиковый шпат 8–17; железный порошок 32–45; никель 1–3; карбонат щелочного металла 3–7; комплексный фторид щелочного металла 3–13; ферромарганец 4–6; ферросилиций 2–4; ферротитан 1–3; алюминий 1–2. Указанная порошковая проволока позволяет улучшить качество сварных швов при подводной мокрой сварке углеродистых сталей за счет введения группы активных раскислителей: Mn, Si, Ti, Al. Однако, указанная проволока также не позволяет достичь равнопрочности при сварке низколегированных сталей с прочностью более 500–600 МПа. Шлакообразующие компоненты шихты также имеют низкую плотность: TiO имеет плотность 4,23 г/см, а плавиковый шпат из CaF имеет плотность 3,18 г/см (см. CRC Handbook of chemistry and physics. 97th edition. Editor-in-chief W.M. Haynes. CRC Press, 2017. 2641 p.). Низкая плотность легкого шлака при импульсной дуговой сварке, а также при дуговой сварке с короткими замыканиями приводит к нарушению сплошности шлакового слоя на поверхности сварочной ванны, что приводит к проникновению воды и водорода в металл сварного шва и вызывает образование газовой пористости.
2
2
3
3
3
Известна порошковая проволока для подводной сварки высоколегированных нержавеющих сталей (см. Ющенко К.О., Фадеева Г.В., Каховский Ю.М., Максимов С.Ю., Супрун С.А. Порошковий дрiт для мокрого пiдводного зварювания високолеггованих хромонiкелевих сталей типу 18-10. Патент Украины UA 89266, В23К 35/368 от 31.03.2008 г. Опубликовано 11.01.2010 г. Бюл. № 1.). Указанная проволока имеет оболочку из нержавеющей хромистой стали и шихту при следующем содержании компонентов, масс. %: никель 15–45; марганец 1,5–16; феррониобий 1–6; рутил 0,5–3; магнезит 0,5–10; гексафторсиликат натрия 0,2–1,5; калиево-натриевое силикатное стекло 0,1–2; хром 1–18; флюоритовый концентрат 30–45; литий фтористый 0,5–7,5; криолит 1–4; четырехфтористый цирконий 0,5–1; алюминий 0,2–2,5. Указанная проволока позволяет сваривать под водой аустенитную сталь типа 12Х18Н10Т с прочностью не менее 530 МПа и обеспечить прочность сварного шва в пределах 500–620 МПа. Однако, указанная проволока не позволяет сваривать низколегированные высокопрочные бейнитные стали, поскольку при этом на границе шва образуются мартенситные прослойки с высокой хрупкостью и холодные трещины (см. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.). Кроме того, шлакообразующие компоненты также имеют низкую плотность: рутил из TiO имеет плотность 4,23 г/см, фторид лития – 2,64 г/см, а флюоритовый концентрат из CaF – 3,18 г/см (см. CRC Handbook of chemistry and physics. 97th edition. Editor-in-chief W.M. Haynes. CRC Press, 2017. 2641 p.). Низкая плотность шлака при импульсной дуговой сварке, а также при дуговой сварке с короткими замыканиями может нарушать изолирование шлаком поверхности сварочной ванны, что приводит к проникновению воды и водорода в металл сварного шва и вызывает образование газовой пористости в наплавленном металле.
2
2
3
3
3
Известна порошковая проволока для подводной сварки высокопрочных бейнитных сталей (см. Гришанов А.О., Паньков В.И., Пазiрук I.Ф., Проскудiн В.М., Iгнатушенко А.А. Порошковий дрiт для зварювания сталей. Патент Украины UA 23931, В23К 31/00 от 10.01.1995 г. Опубликовано 31.08.1998 г.), которая принята за прототип. Указанная проволока имеет оболочку из никеля НП-2 и шихту при следующем содержании компонентов, масс. %: фторид кальция 40–49; фторид лития 5–11; фторид кобальта 0,5–2; углекислый кальций 5–8; двуокись кремния 4–6; алюминий 9-11; молибден 7–10; никель 1,5–3; феррохром 13–15. Указанная проволока позволяет сваривать под водой высокопрочную бейнитную сталь Х70 с прочностью не менее 600 МПа и обеспечить формирование высокоаустенитного сварного шва с прочностью в пределах 664–794 МПа. Однако, указанная проволока имеет шлаковую систему с низкой плотностью, поскольку шлакообразующие компоненты шихты: фторид кальция CaF имеет плотность 3,18 г/см, фторид лития – 2,64 г/см, а двуокись кремния SiO – 2,648 г/см (см. CRC Handbook of chemistry and physics. 97th edition. Editor-in-chief W.M. Haynes. CRC Press, 2017. 2641 p.). Низкая плотность шлака не позволяет использовать порошковую проволоку при импульсной дуговой сварке, поскольку быстрое изменение сварочного тока нарушает сплошность легкого расплавленного шлака. При этом в сварочную ванну проникает вода и водород, что вызывает образование газовой пористости в наплавленном металле. Кроме того, сварка при постоянном токе без импульсного режима указанной никелевой проволокой может привести к перегреву аустенитного шва, что является причиной роста аустенитного зерна и образования горячих трещин (см. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение качества и повышение прочности сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей за счет оптимизации шлаковой и легирующей системы порошковой проволоки на аустенитной основе.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что порошковую проволоку изготавливают из никелевой оболочки, внутри которой размещают порошкообразную шихту при следующем содержании компонентов, масс. %: оксид редкоземельного металла 10–35; фторид редкоземельного металла 12–38; комплексный фторид щелочного металла 3–6; никель 30–45; хром 8–18; молибден 3–7; марганец 4–8; алюминий 2–4; титан 2–4.
В отличие от прототипа, предлагаемая проволока имеет тяжелую шлаковую систему из оксидов и фторидов редкоземельных металлов с высокой плотностью. Тяжелый плотный шлак более эффективно изолирует сварочную ванну от воды, что снижает образование дефектов в виде газовой пористости при возмущении дуги и коротких замыканиях.
Легирующая система проволоки основана на введении никеля, хрома, молибдена, марганца, алюминия и титана, что позволяет получить в сварном шве наплавленный металл с высокоаустенитной микроструктурой, которая обладает высокой прочностью и препятствует образованию мартенситных прослоек и холодных трещин на границе шва со свариваемой высокопрочной бейнитной сталью. Для предупреждения горячих трещин в наплавленном металле, порошковую проволоку применяют при импульсной дуговой сварке, что позволяет уменьшить перегрев и погонную энергию сварки. Импульсный режим также повышает прочность сварного шва за счет измельчения размера аустенитного зерна. Дополнительным эффектом повышения прочности и предупреждения горячих трещин в аустенитном шве является обогащение наплавленного металла редкоземельными металлами (РЗМ) за счет диффузионного микролегирования РЗМ из тяжелого шлака, состоящего из расплавленных оксидов и фторидов РЗМ. РЗМ измельчают аустенитную микроструктуру и повышают прочность, поскольку являются эффективными модификаторами (см. Ефименко Н. Г. Редкоземельные металлы в сварочных материалах: Монография. – Харьков: Коллегиум, 2017. – 188 с.).
Такое сочетание известных и новых признаков позволяет улучшить качество и прочность сварных соединений высокопрочных низколегированных бейнитных сталей. Это становится возможным, поскольку состав шихты имеет редкоземельную шлаковую систему с высокой плотностью. Это позволяет шлаку в расплавленном состоянии более эффективно изолировать поверхность сварочной ванны и препятствовать проникновению воды и водорода в металл сварного шва, что улучшает формирование шва и снижает образование дефектов в наплавленном металле. Дополнительно шлак обогащает сварочную ванну микролегирующими редкоземельными элементами, что модифицирует микроструктуру шва. Легирующая система проволоки имеет высокоаустенитную микроструктуру на основе никеля, которая препятствует образованию хрупких мартенситных структур и холодных трещин на границе шва с бейнитной сталью и обладает высокой прочностью за счет легирования никелевой матрицы упрочняющими элементами: Cr, Mo, Mn, Al, Ti и РЗМ.
2
2
3
2
Оптимальное содержание шлакообразующих компонентов – оксида редкоземельного металла составляет 10–35 %, а фторида редкоземельного металла 12–38 %. Указанные концентрации оксида и фторида РЗМ обеспечивают однородность и толщину шлакового слоя, необходимые для изолирования сварочной ванны от воды в условиях импульсного режима дуговой сварки. Фторид РЗМ снижает поверхностное натяжение шлаковой системы и температуру плавления, что улучшает смачивание и экранирование сварочной ванны расплавленным шлаком. В качестве оксидов редкоземельного металла выбирают оксиды из группы: оксид лантана, оксид церия, оксид иттрия, оксид неодима, оксид тория. В качестве фторидов редкоземельного металла выбирают фториды группы: фторид лантана, фторид церия, фторид иттрия, фторид неодима, фторид тория. Указанные соединения РЗМ обладают более высокой плотностью по сравнению с плотностью легких шлаков на основе CaF, FeO, TiO, см. табл. 1. (CRC Handbook of chemistry and physics. 97th edition. Editor-in-chief W.M. Haynes. CRC Press, 2017. 2641 p.).
Таблица 1. Плотности оксидов и фторидов РЗМ
Оксид РЗМ
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Фторид РЗМ
Плотность, г/см<sup>3</sup>
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6,51
LaF<sub>3</sub>
5,9
Ce<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6,2
CeF<sub>3</sub>
6,157
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,03
YF<sub>3</sub>
4,01
Nd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
7,24
NdF<sub>3</sub>
6,51
ThO<sub>2</sub>
10
ThF<sub>4</sub>
6,1
3
3
3
Вместе с тем, плотности шлаковых компонентов на основе РЗМ меньше чем плотности железа – 7,87 г/см, хрома – 7,15 г/см и никеля – 8,9 г/см, что позволяет расплавленному шлаку удаляться из сварочной ванны без образования дефектов в виде шлаковых включений.
При уменьшении содержания шлакообразующих компонентов ниже оптимального значения объем образующегося шлака является недостаточным для защиты сварочной ванны от проникновения воды, водорода и кислорода, что ухудшает формирование и качество сварного шва. При увеличении содержания шлакообразующих компонентов выше оптимального значения уменьшается коэффициент наплавки и эффективность тепловложения, что снижает производительность процесса сварки.
3
6
3
6
3
6
2
6
2
6
2
6
2
6
2
6
2
6
2
6
2
6
2
6
Введение в шихту комплексного фторида щелочного металла при содержании 3–6 %, например, гексафторалюмината натрия NaAlF, способствует интенсивным металлургическим реакциям. При сварке он разлагается с выделением значительного количества натрия и фтора. Натрий является элементом с низким потенциалом ионизации, что улучшает стабильность горения дуги под водой и снижает напряжение дуги. Фториды связывают молекулы, атомы и ионы водорода в парогазовом пузыре с образованием газообразного фтористого водорода HF, что снижает образование дефектов и улучшает качество сварных соединений. Аналогичное влияние оказывают гексафторалюминаты LiAlF, KAlF, гексафтортитанаты NaTiF LiTiF, KTiF, гексафторсиликаты NaSiF LiSiF, KSiF, гексафторцирконаты NaZrF LiZrF, KZrF.
При уменьшении содержания комплексного фторида щелочного металла ниже оптимального значения ухудшается способность шихты к активному связыванию воды и водорода, что приводит к появлению дефектов в наплавленном металле шва. При увеличении содержания комплексного фторида щелочного металла выше оптимального значения ухудшается стабильность горения дуги и формирование шва.
Введение в состав шихты порошка никеля способствует формированию аустенитной матрицы совместно с никелевой оболочкой, увеличивает коэффициент наплавки, эффективность тепловложения и глубину проплавления. Оптимальное содержание никеля в шихте составляет, масс., %: 30–45. При уменьшении содержания никеля ниже оптимального значения, снижается эквивалент никеля в наплавленном металле, что вызывает опасность появления мартенситных микроструктур и холодных трещин на границе шва с бейнитной сталью. При увеличении содержания никеля выше оптимального значения возрастает эквивалент никеля, что вызывает опасность появления горячих трещин в шве и снижает прочность шва.
Введение в состав шихты порошка хрома и молибдена способствует увеличению прочности и образованию ферритной фазы в аустенитной матрице, что способствует измельчению аустенитного зерна и предупреждает образование горячих трещин. Оптимальное содержание хрома и молибдена в шихте составляет, соответственно, масс., %: 8–18 и 3–7. При уменьшении содержания хрома и молибдена ниже оптимального значения, снижается эквивалент хрома в наплавленном металле, что вызывает опасность появления горячих трещин в шве и приводит к уменьшению прочности шва. При увеличении содержания хрома и молибдена выше оптимального значения возрастает эквивалент хрома, что вызывает опасность появления холодных трещин и мартенситных структур на границе шва с бейнитной сталью.
Введение в состав шихты группы раскислителей при оптимальном содержании, масс. %: марганец 4–8, титан 2–4, алюминий – 2–4 способствует раскислению никеля и хрома через металлургические реакции раскисления оксидов никеля и хрома, связыванию загрязнений в виде серы в тугоплавкие сульфиды марганца MnS и летучие сульфиды TiS, Al2S3. Это улучшает плотность наплавленного металла шва, его пластичность и ударную вязкость. При уменьшении содержания раскислителей ниже оптимального значения, ухудшаются механические характеристики сварного шва, а при увеличении содержания раскислителей увеличивается образование хрупких интерметаллидов в сварном шве.
В качестве примера применения предлагаемой проволоки является механизированная дуговая сварка пластин из высокопрочной судостроительной стали марки D40 по ГОСТ 52927-2008 размером 300х200 мм и толщиной 10 мм с прочностью 510–660 МПа. Никелевую ленту толщиной 0,4 мм и шириной 10 мм из никеля марки НП-2 помещали в прокатный стан, в котором формовали оболочку диаметром 4 мм. Одновременно с формовкой внутрь оболочки засыпали тонкоизмельченную шихту следующего состава, масс., %: оксид церия 22; фторид лантана 12; гексафторалюминат натрия 5; никель 30; хром 15; молибден 6; марганец 5; алюминий 2; титан 3. Затем проволоку методом последовательного волочения уменьшали до диаметра 1,6 мм.
Полученную порошковую проволоку использовали при механизированной дуговой сварке с применением импульсного инверторного источника питания EVOMIG-500 в камере «Сварщик-водолаз» КСМ-018 на глубине 2 метра. Стыковое соединение пластин имело конструкцию сварного соединения С19 по ГОСТ 14771–76. Заполнение разделки шва осуществляли за 8 проходов при напряжении дуги 32–35 В. Металлографические исследования показали отсутствие трещин и дефектов в сварном соединении. Механические испытания при растяжении образцов по ГОСТ 6996-66 на разрывной машине Super L60 показали, что прочность сварных соединений достигает 542–625 МПа.
Таким образом, предлагаемая порошковая проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении качества и механических свойств сварных соединений высокопрочной стали, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.