Порошковая проволока для механизированной и лазерно-дуговой сварки низколегированных высокопрочных сталей
Владельцы патента RU 2713767:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Изобретение может быть использовано для механизированной сварки в среде защитных газов и лазерно-дуговой сварки конструкций из низколегированных высокопрочных сталей с пределом текучести до 690 МПа. Порошковая проволока содержит, мас. %: 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; железный порошок 1,55-2,82; феррохром 0,04-0,06; ферромолибден 0,45-0,55; ферробор 0,03-0,065; ферротитан 0,02-0,03; жидкое стекло литиево-калиевое 0,3-0,6; оболочка из низкоуглеродистой стали - остальное. Шлаковая основа содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: рутиловый концентрат 84-94; плавиковый шпат 3-8; жидкое стекло литиево-калиевое 3-8. Изобретение позволяет добиться требуемой прочности и работы удара металла шва за счет оптимального соотношения кремния, хрома, никеля, марганца, молибдена в составе порошковой проволоки, а также улучшенных сварочно-технологических свойств за счет использования литиево-калиевого жидкого стекла для агломерации компонентов наполнителя. 4 табл.
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 |
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/мм2, 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.
Порошковая проволока для механизированной и лазерно-дуговой сварки низколегированных высокопрочных сталей, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей шлаковую основу, ферросилиций, марганец, порошок алюминиево-магниевый, никель, железный порошок и жидкое стекло литиево-калиевое, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит феррохром, ферромолибден, ферробор и ферротитан, а шлаковая основа содержит рутиловый концентрат, плавиковый шпат и 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 | остальное, |
при этом шлаковая основа содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
Рутиловый концентрат | 84-94 |
Плавиковый шпат | 3-8 |
Жидкое стекло литиево-калиевое | 3-8 |