автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Технология сварки под флюсом аустенитной проволокой хладостойких низколегированных высокопрочных сталей

Национальная Академия наук Украины Институт электросварки имени Е.О„ Патона

Лактионов Михаил Александрович

УДК 621.791.753.042.5:669.15-104.2

Технология сварки под флюсрм аустенитной прозолской «ладостойких низколегированных высокопрочных сталей.

"Технология и оборудование для сварки й родственных процессов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РГБ 0«

20-

эка N

На правах рукописи

Специальность 05.03.06

Работа выполнена в Институте электросварки имени Е.О. Патона HAH Украины и в Сумском машиностроительном научно-' производственном объединении им. М.В. Фрунзе.

Научный руководитель: доктор технических наук

Готальский Ю.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кузнецов В.Д.

кандидат технических наук Бреднев В.И.

Ведущее предприятие: АО "Насосэнергомаш"

Направляем Вам для ознакомления автореферат диссертации Лактионова М.А. Просим Вас и сотрудников Вашего учреждения, интересующихся темой диссертации, принять участие в заседании специализированного совета или прислать свои отзывы (1 экз., заверенн"й печатью) по адресу: 252650, Киев, ГСП, ул.Боженко, 11, ученому секретарю спецсовета.

Защита состоится

"<21к 0<Г 1997 г. в ¿L часов на заседании специализированного совета (К50.02.02) при Институте электросварки имени Е.О. Патона HAH Украины.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Аатореферат разослан "g< 7" ОЦ 1997 г.

A.A. Бондарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Одним из видов продукции химического машиностроения являются линии низкотемпературного разделения углеводородов природного газа. В этих линиях крупногабаритные колонны и теплообмена е аппараты, эксплуатирующиеся при температуре не ниже 163К, изготавливаются из низколегированных высокопрочных сталей ( в дальнейшем НЛВП стали) АК-25 и АК-27, имеющих предел текучести на уровне 600 МПа. Большие габариты изделия (диаметр до 4,0м, высота до 50м, толщина стенки в пределах 0,02...0,07м) не позволяют выполнить сложную термообработку сварных конструкций. Поэтому хладостойкость сварных соединений обеспечивается применением высоконикелевых аустенитных электродов марки ЭА-395/9. Ввиду высокой склонности аустенитных швов к гор.,чим трещинам, сварка выполняется с ограничением режимов и площади наплавленного металла за один проход. Для обеспечения равнопрочности аустенитного металла шва с основным металлом сварные соединения выполняются с повышенным усилением, что требу( больших трудозатрат, высокий расход дорогостоящих электродов и длительный цикл изготовления изделий. Отрицательное влияние этих факторов можно значительно снизить применением механизированной сварки под слоем флюса, но имеющиеся сварочные материалы но обеспечивают требуемый уровень технологической прочности. Вопрос оп пиритизации химических составов дорогостоящих аустенитных материалов для сварки НЛВП сталей а конструкциях с отрицательными температурами эксплуатации практически не изучен.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработать технологию сварки под флюсом аустенитной проволокой низколегированных высокопрочных сталей в конструкциях с минимальной температурой эксплуатации 163К.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить влияние состава сварочной ванны и технологических факторов на структуру и свойства зоны сплавления разнородных сталей.

2. Исследовать влияние технологических и металлургических факторов на :клонность аустенитного металла шва к горячим трещинам.

3.Исследовать влияние комплексного легирования и модифицирования ча уровень прочностных свойств металла шва со стабильмоаустенитной зтруктурой. .

4. Разработать сочетание сварочной проволоки и флюса и технологии :варки, которые обеспечат требуемый комплекс свойств сварных соединений -1ЛВП сталей при температуре эксплуатации 163К.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана оригинальная методика исследований, позволившая установить прямую взаимосвязь между хладостойкостью зоны сплавления разнородных сталей и шириной мартенситной прослойки, образующейся в этой зоне. Развито представление о механизме влияния металлургических и технологических факторов на мартенситную прослойку. Показано, что главным фактором регулирования ширины мартенситной прослойки является содержание никеля о металле шва. В результате исследований получена зависимость "критического" (минимально допустимого) уровня легирования аустенитного шра никелем от температуры эксплуатации сварных соединений НЛВП сталей в диапазоне температур 203...153К.

Предложен механизм влияния высокого содержания никеля в аустенитном шве на ширину мартенситной прослойки переходного слоя зоны сплавления разнородных сталей, основанный на способности никеля увеличивать скорость и время прохождения диффузионных процессов между жидкой сварочной ванной и Твердо-жидкой областью основною металла на границе сплавления.

Изучено влияние раздельного и комплексного легирования W.Ti.Mo и Мп однофазного аустенитного шва типа Х25Н25 на его технологическую прочность. Показана эффективность комплексного легирования молибденом и марганцем и установлены оптимальные содержания их в металле шва: 4...G%Mo и 4...7% Мп.

U результате исследований влияния компонентов шихты керамического флюса на однофазный аустенитный шов установлена эффективность дополнения шихты флюса АНФ-С фтористым барием (3%), гематитом (3%), алюмомагниевым порошком (2.5%) и феррохромбором (0,2%). Такое сос ношение компонентов шихты флюса обеспечивает повышение стойкости аустенитиых шиоо против горячих трещин в 1.6, раза и прочностных характеристик наплавленного металла на 25%.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ результаты исследований: зависимость уровня легирования аустенитного шва никелем от температуры эксплуатации сварнью соединений НЛВП сталей и диапазоне томператур 203...153К; химически? состав проволоки ЭК-56, который при сварке пом флюсом АН-1В обеспичивае1 требуемый уровень хладостойкости сварных соединений НЛ2П сталей с

приемлемый уровень технологической прочности; соотношение компонентос

о

шихты флюса АНК-70, который в сочетании с проволокой ЭК-56 обеспечиваем высокую технологичность процесса сварки и повышение комплекса свойот! сварных соединений НЛВП сталей.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ. На основании выполненных исследований разработаны сварочные материалы: проволока Э1С-50 (св-06Х20Н25М6ГБ) и флюс марки АНК-70, а также технология са. жи сталей АК-25 и АК-27, обеспечивающий требуемый комплекс свойств сварных соединений.

Решена задача замены ручной сварки механизированной под флюсом низколегированных высокопрочных сталей п конструкциях с температурой эксплуатации 163К, позволившая увеличить в пять раз производительность труда, на 20% снизить расход дорогостоящих сварочных материалов и значительно улучшить санитарно-гигиенические условия труда . варщиков. Результаты работы позволяют производить выбор аустенитных сварочных материалов в зависимости от температуры эксплуатации сварных соединений НЛВП сталей в диапазоне температур 203...153К.

Приведенные выше технологии внедрены в производство на Пумском МНПО им. М В.Фрунзе.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы диссертации докладывались на семинарах по сварочному производству (г.Киев, 1986 и 1987 Г.Г.), на конференции по новым технологиям в машиностроении (г.Тула, 1988г.), на семинарах по сварочному прозводству (г.Сумы, 1986, 1990, 1991 г.г.), технологическом семинаре ИЭС им. Е.О.Патона (1996 г.). Разработанная технология была согласована институтами ЛЕННИИХиммаш и ВНИИПТХимнефтеаппаратуры и утверждена Минхимнефтемашем СССР для применения при изготовлении продукции, подведомственной Гос го ртех надзору.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы изложено а 4 статьях и 2-х авторских свидетельствах.

СТРУКТУРА И ОБЬЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Текстовая часть работы содержит 128 страниц машинописного текста, 68 рисунков и 33 таблицы.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ на основании литературных данных анализируются проблемы, возникающие при сварке НЛВП сталей. Рассматриваются факторы,определяющие хладостойкость сварных соединений низколегированных сталей, выполненных аустенитным швом. Анализируются возможные пути повышения технологической прочности аустенитнОго металла шва. Формируются цели и задачи исследований.

ЯО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приводимы результаты исследований влияния металлургических фпкторое на структуру и свойства гоны сплазления разнородных стапяй. Определены количественные взаимозависимости ширины мартенситной прослойки ооны сплавления и ударной вязкости атой зоны от содержания никеля в яустенитиом металле шва. Получена прямая зависимость "критического" содержания никеля о аустеиитном шве от температуры ¡эксплуатации сварных соединений НЛВП сталей. Определено, что для температуры 163К сварочная проволока должна иметь в своем составе 25% никеля.

Технологические факторы - составляющие режима сварки и технологические приемы: вибрация свариваемого изделия, электромагнитное перемешивание сварочной ванны, двухдугооая сварка типа "Тандем"-исследоьаны и с точки зрении повышения технологической прочности. Определены наиболее благоприятные диапазоны режимов и показана перспективность двухдуговой сварки типа "Тандем". Исследование технологических факторов показало, что их влияние на ширину мартенситной прослойки обусловлено о конечном итого изменением содержания никеля в наплавленном металле. Полученные результаты позволили расширить ■ Фсдстпвление о механизме влияния высокого содержания никеля в аустенигном 1Ирв на ширчну мартенситной прослойки зоны сплавления разнородных сталей.

Н ТРЕТЬЕЙ ГЛАСЕ исследовано влияние раздольного и комплексного 1РГировп1М1я »V, Тт, Мо и Мп аустетитного металла шва типа К25Н25 на пклонмость его к горячим трещинам. Показана эффективность комплексного цитирования молибденом и марганцем и установлены их оптимальные :.оц1:рж:чшр ы сварочной прозолокс. Разработана проволока марки ЗК-50 ■.сп-иохгонгбМбГВ) ДЛЯ сварки хладостойких НЛВП сгалсй.

П результате исследовании влияния компонентов шихты, керамического флюса на однофазный аустенитнын шов устаноелсно опшмальноо соотношение в нем фтористого бария, гематита, алюмомигниеоого порошка и феррохромиора (основа - флюс АМФ-6). Показано, что разработанный флюс мг^ки ЛНК-70 позволяет значительно повысить стойкость против горячих грощин и прочностью характеристики аустемитного шва.

И ЧСТССРТО'Л ГЛАЗП представлена технология сварки проволокой ЭК-55 иод флюсами АН-13 и ЛНК-70. Промежуточные результаты исследований позволил« разработать технологию плакировп аустенитными ленточными электродами трубныл решеток из стали ЛК-27 для приварки к ним труб из стали 12Х10Н10Т. Приведено сравнение свойств сварных соединений, полученных по разработанной и существующей технологии. Показаны преимущества первой.

Приведены результаты внедрения разработок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

При разработке технологии сварки под флюсом аустенитпой проаолокой конструкций из НЛВП сталой с минимальной температурой эксплуатации I63K необходимо решить два основных задачи: обеспечить хладостойкости зоии сплавления и технологическую прочность металла ¡ша. Наиболее обстонюльно зона оплавления разнородных сталей исследовалась в работах В.Н.Земзина, Л.С.Липшица, Г.Л.Петрова, В.И.Брука. Ю.Н. Готаяьского и др. Исход|,do положения современной теории оСразоаанин горячих трещин были развиты А.А.Сочяаром, Н.Н.Прохоровым, В.А.Моичаном, М.К.Шоршо-роаым и др.

Общепризнано, что работоспособность разнородного сварного соединения определяется зоной сплавления и, о частности, шириной мартенситной прослойки переходного слоя этой зоны (а дальнейшем Им). Возникновение этой прослойки связывается со слабым перемешиванием спарочной панки у ее границы. Поэтому предполагается роэмохмость регулировании Вм изменением режимных факторов процесса сварки и применением технологических приег ав, способствующих перемешиванию сварочной нанны у ее границы. Основным способом уменьшения Вм является применение сварочных материалов, обеспечивающих п металле шва аустенит с высоким содержанием никеля. Механизм положительного влияния высокого содержания никеля еще не совсем ясен. Никель является остродефицитным элементом, к тому^же, увеличение содержания никеля о проволоке повышает вероятность поколения горячих трещин п наплавленном металло. Вопрос оптимизации уровня легирования никелем аустенитной проьолоки, предназначенной дли сварки НЛВП сталей п конструкциях с отрицательной температурой эксплуатации, практически но изучен. Эти факторы предопределили необходимость исследоианий влияния технологических и металлургических факторов на структуру и свойства переходной зоны сплавления разнородный сталей. Анализ применявшихся ранее методик исследований поклэзг, существенные их недостатки:

• прямой скос одной из свариваемы* громок но обеспечиоает при сварке прямолинейную границу сплавления, что особенно затруднительно при механизированной сварке;

- при иыполнении многопроходных швов i» разделку практически невозможно обеспечить стабильную переходную оону в направлении от корня шва к его поверхности, тик как степинь разбавления сварочной оанны основным металлам изменяется с каждым проходом;

- отсутствует надежный способ варьирования Содержанием нИкеля и

аустенитном шве при сохранении стабильного содержания других

элементов

- высокая склонность аустенитных швов к горячим трещинам.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ НИКЕЛЯ В АУСТЕНИТНОМ ШВЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗОНЫ СПЛАВЛЕНИЯ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ.

Проблема исключения недостатков существующих методик исследований была решена путем получения сварных соединений Методом многослойной наплавки ленточным электродом на пластины толщиной 60мм из стали АК-27. К достоинствам разработанной методики относится также и то, что технология получения проб довольно проста, а в результате получено из одной пробы значительное количество образцов для испытания на ударный изгиб по прямолинейной линии сплавления. Содержание никеля п первое слое наплавки варьировали применяя следующие марки электродных лент 08Х19Н10Г2Б, 07Х25Н13, 10Х16Н25АМ6 и 06Х2ЭН28МЗДЗТ, а также предварительным плазменным напылением никелевого порошка ЛНЭ-1 нг наплавляемую поверхность. Из наплавленных пластин были изготовлень образцы для металлографических исследований и для испытания на ударньн изгиб с нг^резом Менаже по линии сплавления.

Ширину мартенситной прослойки переходного слоя зоны сплавления (Вм определяли расчетно-экспериментальным методом. Расчетная часть метод; осноиана на структурной диаграмме Шеффлера. На этой диаграмме нанссл! гаммы точек, определяющих структурное состояние переходной зоны о основного металла к наплавленному. По этой диаграмме для каждого вариант наплавки определяли содержание никеля, хрома и молибдена в точках переход от мартенситной структуры к мартенситно-аустенитной. Экспериментальна часть метода включает в себя получение графиков локального распродолени иикелн, хрома и молибдена в зоне сплавления аустенитных наплавок основные металлом и определенно на полученных графиках ширины участко с мартенситной структурой. Полученные результаты приведены в таблице " На основании этих данных построена зависимость Вм от содержания никел и аустенитном наплавленном металле (рис.1). На этом же рисунке показан зависимости ударной вязкости зоны сплавления от содержания никеля аустенитной наплавкэ. Учитывая, что минимальный допустимый уровек ударной вязкости составляет 30 Дж/смг, определили критические значен^ Вм и содержания никеля в аустенитной наплавке для указанных теуперая испытаний (см. рис.1). Эти данные позволили построить графики зависимосге критических значений Вм и содержания никеля в аустенитной наплавке <

температуры эксплуатации сварных соединений в диапазоне температур 203... 1ЬЗК (рис.2).

Известно, что по режимным факторам и степени лроплавгения процессы наплавки ленточным электродом и сварка проволокой имеют значительные отличия. Поэтому были выполнены наплавки проволочным электродом по трем присадкам и сварка стыковых соединений проволоками с различным содержанием никеля (табл.1). Расчетно-экспериментальным методом определили в каждом случае ширину мартенситной прослойки. Ана] .13 полученных результатов и построение обобщенного графика зависимости мартенситной прослойки от содержания никеля в наплавленном металла показали хорошую совместимость результатов для исследованных случаев сварки и наплавки'. Тогда правомерно распространить зависимости, полученные при исследовании наплавок ленточным электро,;ом и на случай сварки проволочным электродом. Как показывают эти зависимости для температуры эксплуатации 163К в наплавленном металле должно быть не монее 12,59а никеля. Учитывая, что при механизированной сварке под флюсом степень разбавления металла сварочной ванны основным может достигать до 50%, определили оптимальное содержание никеля в сварочной проволоке, котороо составляет 25%.

Учитывай предполагаемую возможность сужения Вм при помощи технологических приемов, была сделана попытка снизить содержание никеля в проволоке путем применения электромагнитного перемешивания (ЗМП) сварочной ванны, вибрации свариваемого изделия и применением двухдуговой сварки в общую ванну типа "Тандем". Выбор указанных техж логических приемов основан не только на возможности перемешиаания металла сварочной ванны у ее границы, но и с учетом влияния их на склонность аустенитных швов к горячим трещинам. Для проведения исследований была выбрана Проволока св-10Х16Н25АМ6 и флюс марки АН-18. Выбор этой проволоки обусловлен тем, что она содержит 25% никеля и именно из этой проволоки изготавливают электроды ЭА-395/Э.

Методика исследований технологических приемов состояла В следующем. Из стали АК-25 толщиной 28 мм были изготовлены стыковые соединения с К-образной разделкой кромок. С одной стороны выполнена сварка электродами ЭА-395/9, поело чего на строгальном станке вырезан корень шва с шириной вырезки о корна 10 мм. Такая подготовка проб позволяет снизить влияние неравномерности степени проплавления корневых проходов при применении различных технологических приемов, облегчает задачу равномерного проплавления ровной кромки и снижает вероятность появления горячих трещин в шве. Сварка выполнялась на трех базовых режимах, предусматривающих

- 8 -

Таблица 1. Определение Вм

Вид сварного Марка сварочного % N1 в первом Вм,

соединения материала слое наплавки или

в сварном шве мкм

Наплавка 08Х19Н10Г2Б 7,5 33

ленточным 07Х25Н13 10,0 26

электродом 07Х25Н13+ПНЭ-1 18,0 10

10Х16Н25АМ6 19,0 8

06Х2ЭН28МЗДЗТ 21,5 4

06Х23Н28МЗДЗТ-+ ПНЭ-1 27,5 О

Наплавка 06X19Н9Т 5,5 36

проволокой по 07Х25Н13 9,0 28

3-м присадкам 13Х25Н18 13,0 21

06Х25Н25МЗ 15,0 18

10Х16Н25АМ6 18,0 11

ХН78Т 52,0 2

Сварка стыковых 04X19411МЭ 8,0 30

соединений 08Х25Н13БТЮ 9,5 24

проволокой 01Х19Н19Г10АМ4 13,0 20

10Х16Н25АМ6 19,0 0

10Х16Н25АМ6 13,0 20

06Х25Н40М7 30,0 2

06Х25Н60М15 41,0 2

Таблица 2. Результаты исследования технологических приемов.

Наименований N % Ni Вм, КС и* Трещины Угол

приема базового в шве мм Дх/м 10 + есть загиба,

режима - нет град.

I 18 10 125 + 65/75

II 12 22 50 + + 40/55

III 13,5 18 70 + 60/70

ЭМП I 18 12 90 + + 40/50

It 14 20 50 + + 60/35

ill 16 12 80 + 90/80

"Тандем" I 20 5 140 + 50/50

II 16 14 60 + 90/80

III 18,5 8 100 + 90/85

Вибрация 1 16 15 60 ++ 40/50

II 12 22 45 + + 45/55

Примечание:* КС1) по линии сплавления при температуре испытания 163К + - трещины на макрошлифах; ++ - трещины на поверхности шва.

м у л -»t1 ч«i Г| n;i d;oi r:i т!Ш cii\.iu\cimui oT rn.ji'ii.1, niii'i ним'дя ii и тлаи.ммтом металле.

¡>iic. 1 З.ишснмостп критической ширнны мартенситной мрослинин (I) и критического содержания никеля n лустоннтиои наплаоье (2) от температуры

НСИММНИЯ.

изменение в одном случае силы тока (400;500А), н другом случае скорости сварки (0,004;0,006 м/с). При двухдуговой сварке базовые рожимь-использовались для первой дуги. Режим сварки для другой дуги, питаем-.;»"-перзменным током, был постоянный. Для сравнения на базовых режима« были выполнены сварные соединения без технологических приемов. Электромагнитное воздействие на сварочную ванну осущестлены путем наложения на зону сварки знакопеременного, прерывистого, аксиального магнитного поля, создаваемого группами импульсов тока, выделенными из переменного тока промышленной частоты. Уровень индукции управляющего магнитного Поля, исходя из практики сварки с ЭМП стабильноаустенитньи сталей, был выбран в 0,03 теспа. Сварка с применением вибрации в процессе ее осущестления выполнялась на специально созданной установке. Частот вибрации составляла 40 Гц.

.Полученные сварные соединения подвергали механическим испытаниям на ударный изгиб по линии сплавления со стороны ровной кромки, испытаниям на угол загиба в двух уроинях и металлографическим исследованиям. Результаты определения Вм, полученные расчетно-экспериментальным путем, приведены и табл. 2. Эти результаты хорошо согласуются с данными таблицы 1. По-видимому, влияние режимных факторов и технологических приемов обусловлено в конечном итоге изменением содержания никеля в аустеМитном наплавленном металле.

Полученные результаты Показали, что при механизированной сварке иод флюсом технологические приемы и режимные факторы не являются эффективным способом уменьшения ширины Вм и, следовательно, не могут быть инструментом снижения содержания никеля в аустенитном шве при сварке НЛВП сталей.Таким образом, окончательно установлено, что оптимальное содержание никеля в сварочной проволоке. Предназначенной для механизированной сварки конструкций из НЛВП сталей с температурой эксплуатации 163К, составляет 25%.

Всестороннее изучение вопроса в-.ияния высокого содержания никеля в аустенитном шво на ширину мартенситной грослойки, образующейся в переходном слов зоны сплавления разнородных стале:'|, привело к предположению о механизме такого влияния. По-видимому, переходной слой образуется в результате диффузионных процессов между сварочной ванной и прилегающей жидко-гоордой зоной основного металла.Диффузия никеля приводит к значительному снижению температуры плавления получаемых переходных сплавов, т.е. способствует переходу части упомянутой^зоны в жидкое состояние, где процессы диффузии ещо больше интенсифицируются. Таким образом, никель способствует увеличен'ю скорости и времени

протекания диффузионных процессов между жидкой ванной и жидко-твердой зоной основного металла, что приводит к сужению той части зтой зоны, химический состав которой определяет возможность появления мартенситной струкруры

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СКЛОННОСТЬ АУСТЕНИТНОГО МЕТАЛЛА ШВА 1< ГОРЯЧИМ ТРЕЩИНАМ. Оценку влияния технологических приемов на склонность аустенитных швов к горячим трещинам проводили при исспедоиании макрошлифов и испытанием специальных образцов толщиной <1мм на угол загиба, которые вырезались в двух уровнях: □ корне шва и с поверхностного слоя наплавленного металла. Полученные результаты показали (табл.2), что технологические приемы не позволили существенно повысить стойкость аустенитных швов против горячих трещин. Из исслидопанных приемов представляет интерес только двухдуговая сварка типа "Тандем", кот р.-тт способствует увеличению содержания никеля в ¡иве, повышению технологической прочности наплавленного металла и позволяет значительно поднять производительность процесса. Учитывая известное положительное влияние импульсной дуги на технологическую прочность аустенитных швов, были выполнены многочисленные эксперименты в этом направлении. Установлено, что значительное повышение стойкости аустенитного наплавленного металла против горячих трещин (в 1,4 раза) связано с ухудшением формирования шва. При этом полностью избавиться от горячих трещин на приемлемых режимах ерлркн не удалось.

Полученные результаты показали, что проволока марки ЭП-395 (10Х16Н25АМ6) не обеспечивает требуемый уровень технологической прочности аустенитных 1"вов при механизированной сварке НЛВП сталей. Из существующих проволок были выбраны еще 3, которые наряду с 25% нике..я содержат элементы, повышающие стойкость аустенитных швов против горячих трещин. Проверку проволок ЭП-622 (06Х25Н25МЗ), ЭП-88 (10Х15Н25В6МЗГ7) и ЭП-420 (08Х15Н25МЗВ6Г5Т2) осуществляли в процессе заварки под флюсом АН-18 У-образных канавок глубиной 15мм, выполненных на пластине из стали АК-27 толщиной 60мм. О стойкости металла шва против образования горячих трещин судили по результатам визуального осмотра поверхности каждого наплавленного валика и при изучении макрошлифов. Исследования показали, что увеличение сварочного тока, напряжения и скорости сварки повышает вероятность образования горячих трещин. Наиболее благоприятный диапазон скоростей сварки (З...4,5)х10 3 м/с. При таких скоростях наименьшее количество макрошлифов поражено трещинами. Многочисленные пробы с изменением диаметров проволок и составляющих рЬжимо сварки показали непригодность

существующих проволок для мгханизированной сварки НЛВП сталей из-за низкого уровня технологической прочности шаов.

В связи с тем/ что технологические факторы но позволили достичь поставленной цели, было решено путем исследований металлургических возможностей снижения склонности аустенитных швов к горячим трещинам разработать новую сварочную проволоку, содержащую 25% никеля и обеспечивающую при механизированной сварке под флюсом приемлемый уровень технологической прочности.■

Для решения поставленной задачи намечено было взять за основ/ проволоку 3(1-622 и определить оптималное содержание в ней элементов, снижающих склонность аустенитных швоа к горячим трещинам. Изменение содержания исследуемого элемента в сварном шве производилось с помощью добавок во флюс АН-18 гранулированной присадки из легирующего элемента, а также выплавкой сплава и изготовлением опытных проволок заданного химического состава. Оценку дополнительного легирования на трещиноустойчивость шва проводили внешним осмотром и изучением макро-и микрошлифов заваренных У-обраэных канавок. Силрка выполнялась на режиме: 1св=4иОА, 11д=32В, Уев =0,003м/с.

При делегировании молибденом через флюс в сварном шае были получены следующие его значения (в %): 4,7,В,10,.15.21. :В диапазоне 7. ..10% -Мо трещины на макрошлифах ни обнаружены. При 21% Мо весь шов поражен трещинами. При 4% и 15% Мо трещины обнаружены на макрошлифах. Попытка изготовить проволоку типа Х25Н25 с содержанием молибдена в пределах 5...8% но удалась • при обработко слитков прокат растрескивался. Тогда было решено оставить содержание молибдона в проволоке на уровне 3% и опробовать делегирование шва вольфрамом. Были получоны следующие значения этого элемента в сварном шве (в %): 1; 1,5; 2; 2,5; 3,6. Во всех случаях на макрошлифах обнаружены трещины.

Известно положительное влияние марганца на стойкость аустенитных швов к горячим трещинам. К тому жо марганец является элементом - ауст'сниза-тором, что немаловажно при сварке НЛВП сталей аустенитным швом. В результате долегирования марганцем в металле шва были получоны следующий его содержания (%): 2,3,4,5,6.8,11. Сварка проволокой ЭП-£:?2 показала, что делегирование шва марганцем лишь несколько снижает вероятность образования трещин и только до содержания его в наплавленном металле порядка 6%. Для получения более полных данных по влиянию марганца были изготовлены проволоки типа ЭП-622 с повышенным содержанием марганца (в %): 4,1; 6,3; 7,4; 7,6; 9,8; 12. Следует отметить, что из плавок с повышенным содержанием марганца проволоки изготовляются вполне удовлетворительно.

По результатам изучения макрошлифов сварных проб определили, что оптимальное содержание марганца о проволоке составляет 7...8%. Однако полностью устранить трещины не удается и при таком содержании. Поэтому п дальнейшем были проведены эксперименты с целью выяснения возможности предотвращения горячих трещин путем делегирования шва молибденом при наличии в нем марганца порядка 6%. При сварке прполокой ЭП-622 и комплексном делегировании молибденом и марганцем получены варианты шпов, содержащие молибдена 4...6% и марганца 4...7%. Из ма рошлифах этих швов трещин не обнаружено. Для проверки такого легирования ме.алла шва были выполнены плавки типа Х25Н25 с комплексным легированием молибденом (5...7%) и марганцем (6...8%). К сожалению, даже при .повышенном содержании марганца проволоку с молибденом более 6% изготовить не удалось. Сварка опытной проволокой состава 03Х25Н25М5Г7 V-образных канавок показала отсутствие горячих трещин а сварных швах. В процессе оформления технических условий на поставку новой сварочной проволоки, исходя из опыта лабораторного изготовления проволоки и условий специфики производства завода-поставщика, был скорректирован химический состав проволоки. В окончательном варианте разработанной проволоке присвоена марка Св-06Х20Н25М6Г8. Услоьное заводског обозначение марки проволоки ЭК-56 ТУ 14-1-3509. Механические свойства наплавленного под флюсом металла шва показаны в табл.5. Сравнительная оценка проволоки св-10Х16Н?5АМ6 с разработанной св-06Х20Н25М6Г8 по методике МВТУ им.Баумана на установке ЛТП 1-6 показала, что последняя обеспечивает в 1,5 раза выше стойкость против образования горячих трещин в металле шва. Сварка У-образных канавок и "жестких" проб из стали АК-25 проволокой ЭК-56 под флюсом АН-18 показала, что при ограничении силы тока до 450А и скорости сварки до 0,0035 м/с гарантировано получение швов без горячих трещин.

С ц_лью расширения диапазонов режима сварки и повышения прочностных характеристик металла шва было опробовано ряд флюсов: АН-45, АНК-45, АН-15М, 48-ОФ-Ю. Ни в одном случае положительного результата не получено. Учитывая широкие возможности комплексного легирования и модифицирования аустенитных швов через керамический флюс, решено было выполнить исследования в этом направлении.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА УРОВЕНЬ ПРОЧНТС^НЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ШВА СО СТАБИЛЬНОАУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ. В качестве базовой была выбрана шлаковая система флюса АНФ-6: СаРг-А12Оэ-ЗЮг. Порвые два компонента составляют основу флюсов для сварки аустенитными

проволоками, а неизбежность присутствии кремнезема предопределена применением при изготовлении флюса жидкого стекла.

Для оценки склонности металла шва к горячим трещинам выполнялась заварка \/-образных канавок. Режим сварки: 1св=500А; ид=32В. В качестве показателя была выбрана минимальная скорость сварки, при которой не наблюдается образование горячих трещин.

Эксперименты показали, что предотвратить образование горячих трещин под флюсом АНФ-6 при скорости 0,0035 м/с нельзя. Для снижения активности вЮг и шлаке била изготовлена серия опытных флюсов с различным содержанием ВаРг. В таблице 3 приведены составы опытных флюсов и соответствует110 критические скорости сварки под этими флюсами V-образных канавок. Из приведенных данных видно, что с ростом содержания ВаРг во флюсо растет стойкость металла шва против горячего растрескивания. Однако, повышение ВаР свыше 3% приводит к "укорочению" шлака, что вызывает значительное ухудшение формирования металла шва. Поэтому для увеличения критической скорости сварки были проведены исследования возможности повышения окислительного потенциала флюса за счет введения В его состав гьматита (Табл. 3). Из приведенных данных видно, что как самостоятельное введение гематита, ток и комплексное введение гематита болео 3% но увеличивает критическую скорость. В то же вромя, введение 3% гематита розко ухудшает отделимость шлаковой корки с поверхности шва.

С целью сохранения хороших технологических свойств флюса и поддержания оптимального содержания кислорода в миталли шва решено было применить в качество раскислителн порошок алюмомагниевого сплава. Испытанно серии опытных флюсов позволили установить, что приемлемый сварочно-тохнологические свойства достигаются при введении 2,5% алюмомагниевого порошка (Табл. 3, состав N56).

На основании известного положительного влияния микродобавок бора на структуру и свойства аустенитного металла была изготовлена серия опытных флюсов на основе состава N56 с добавлением феррохромбора (Табл. 3). Металлографические исследования опытных проб показали, что введение ужо 0,1% феррохромбора вызывает существенное измельчоние структуры, что сразу отражается на механических свойствах металла шва (Табл.4). Как показывают данные табл.4 оптимальным является введение 0,2% феррохромбора. Заварка У-образных канавок проволокой ЭК-56 под флюсом N58 показала, что в интервала сварочных токов 450...600А допустимо ведение сварки со скоростью до 0,007 м/с без опасности появления горп'.пх трещин в металле шва. При напряжении дуги в интервале 30 ..38В обеспечивается

Таблица N3. Определение влияния компонентов флюса на технологическую прочность и предел текучести аустенитного шва.

Наимонованио № оариамта флосэ /содгржзнио компонента в шихто флюса (в %)

компонента 12 13 14 15 10 17 18 19 20 56 57 58 59 60 61

АНФ-6 97 94 91 97 94 91 94 91 88 91,5 91,4 91,3 91,2 91,1 91

ВаР, 3 6 9 - 3 3 3 Э 3 3 Э 3 3

Гемзтит - - 3 6 9 3 0 9 3 3 3 3 3 3

ПАМ-4 2,5 2.5 2.5 2,5 2.5 -'.5

ФХБ-1 0.1 0,2 0,3 0,4 0.5

\/кр .м/с 10 ' 4.3 4.5 4,8 4.8 4,8 4,8 5.5 5,5 5,5 5.6 6,0 6.4 6.2 5.9 5.В

п МПа 400 450 480 470 460 460

Таблица 4. Режимы сварки и свойства сварных соединений стали АК-25.

№ Режимы сварки Характеристика швов

П/П Сварочные материалы Jl^. А ил. В Усе., м/с 10 1 МПа ГТЯ МПа% 5, % V.

но менее

1. ЭА-395/9 5мм МО...180 24...28 к 480 660 32 54

2. ЭК 56 и АН-13 350...450 32...36 3...3.5 350 590 35 55

3. ЭК-56 и АНК-70 ' 400...600 32...38 3...8 460 640 30 53

хорошая отделимость шлаковой корки из разделок с углом раскрытии кромок 40...СО . Флюс обеспечивает получение плавного перехода от шва к основному металлу и гладкую блестящую поверхность оалика. Разработанному флюсу присвоена марка АНК-70 (ТУ ИЭС 799-91). Сварка "жестких" проб из стали АК-25 проволокой ЭК-56 под флюсом АНК-70 подтвердила высокий уровень технологичности процесса и повышение прочностных характеристик аустенитного металла шва (табл.4).

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ НЛВП СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНЫМ ШВОМ. В результате проведенных в настоящей работе исследований достигнута ее цель: разработана технология сварки под флюсом аустенитной проволокой конструкций из НЛВП сталсй с минимальной температурой эксплуатации 163К. Сварка выполняется проволокой ЭК-50 под флюсом АНК-70 (допустимо применение флюса АН-1В) на режимах, указанных о табл.5. Сравнение саойсто сворных соединений, полученных по разработанной технологии и с применением электродоо ЭА-395/9, показало:

. - прочностные и пластические характеристики металла шоов, значение истинных напряжений разрушения Бк, коэффициентов интенсивности напряжений Кс,, критического раскрытия трещин и сопротивления микросколу для обеих технологий сравнимы:

-г показатели ударной сяз>,ости сварного соединении, коэффициенты омз-кости Кв и дофектостойкости Д; более высокие при автоматической соарко. О высоком урооне иязкости сварных соединений обоих оариантоо говорят и исследования поверхностей изломов швов, 37В и линии сплаалония, на которых практически нет хрупких участков. Таким образом механизироааннг!« сварка проволокой ЭК-5С под флюсом АНК-70 при бесспорных своих проимущесгиах обеспочиваот комплекс, свойств сварных соединений НЛВП сталай на ннжа, чем а исходном варианте сварки электродами ЭА-395/9.

Разработанная технологий была согласована институтами ЛенНИИхиммаш и ВНИИПТХимиофтеаппаратури и утиорждома Минхимнофтемашем для применения при изготовлении продукции, подведомственной Госгортехнад-зору.

Разработанная технология была успешно внедрена на думском машиностроительном НПО им. М.В.Фрунзе при изготовлении конструкций из сталей АК-25 и АК-27. Как вариант такой технологии внедрена двухдуговая сварка типа "Тандем".Режимы сварки табл.5 пригоняются для первой дуги. Бтораи проволока, отстоящая от первой на расстоянии 12...20 мм, плавиться под действием переменного трка: 1д=500...600А, Цд=36...3("3. Использо-вание разработанной технологии позволило увеличить в 5 раз производитель-ность труДа, на 20% снизить расход дорогостоящих сварочных материалов,

значительно сократить цикл изготоеления изделий, улучшить санитарно-гигиенические условия труда сварщиков.

Результаты исследований настоящей работы позволили также раэрг.ботлть технологии плакировки трубных решеток из стали АК-27 для приварки к ним труб из стали 12Х1ПМ10Т. Такая технология внедрена в СГЛНПО им. М.О.Фруизз, причем ленточные электроды для наплавки первого слоя яыбираютсл п ?звисимости от температуры эксплуатации изделия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

t. Установлена прямая взаимосвязь между хладостойкостью зоны enrtaa-т^нич разнородных сталей и шириной мартенситной прослойки, образующейся 1 этой зоне. Показано, что глазным фактором регулирования мартенситной |рослойки является содержание никеля в металле шва. В результате »сследований получена зависимость "критического" (минимально допустимого) 'ропнп легирования аустенитного щва никелем от температуры эксплуатации тарных соединений низколегированных высокопрочных сталей в диапазоне емператур 203...153К.

2. Развито представление о механизме влияния металлургических и ехнологичоских факторов на мартенситную прослойку, образующуюся о 1ероходном слое зоны сплавления разнородных сталей. Показано, что влияние школя проявляется главным образом за счет увеличения скорости и времот рохождения диффузионных процессов ме:кду сварочной ванной и ;кидко-вердой областью основного металла на границе сплавления.

3. Изучено влияние раздольного и комплексного легирования W, Ti, Mo Мп однофазного шва типа Х25М25 ча его технологическую прочность.

¡оказана эффективность комплексного легирование молибденом и '/^рггнтцсм установлены оптимальные содержании их в металле шва: Мо и Л..ЛЧЬ

in.

D результате исследований злияшм компонентоо lustxru керамического >яюса на однофазный аустенитный шоз показана оффетгизмооть «(мористого ария, гзмашто, алюмомагниавого порошка и феррехромОора. Огнимольмоо эотнашоние этих компонентов о шихте флюса АМФ-6 обеспечивает <:о5Ы1){ом»!о гсикести аустенитного шва протиз горячих трещин с 1,6 раза и прочностных 1рактеристик наплавленного металла на 25%.

0. На основании выполненных исследований разработаны сварочные атериалы: проволока марки ЭК-50 (св-06Х20Н20МВП)) и флюс марки /\НК-3, а также технология сварки сталей АК-25 и АК-27, обеспечивающие высокую

технологическую прочность металла шва и хладостойкость сварных соединений при температуре эксплуатации 163К.

6. Решона научная задача замены ручной сварки аустенитными электродами на механизированную сварку под флюсом низколегированных высокопрочных сталей. Разработанная технология внедрена на Сумском НПО им. Фрунзе при изготовлении крупногабаритных колонных и топлообменных аппаратов линий низкотемпературного разделения углеводородов природного газл Использование разработанной технологии позволило увеличить в пять раз производительность труда, на 20% снизить расход дорогостоящих сварочных материалов, значительно сократить цикл изготовления изделий и улучшить санитарно-гигиенические условия труда сварщиков.

Основноо содержание диссертации отражено в следующих публикациях: 1. Сварка под флюсом в конструкциях, работающих до - 110" С (Ю.Н.Готальский. В.С.Базаров, М.А.Лактионов) /Автоматическая сварка. 1984 -N10. С 15...17.

2. Особенности сварочных флюсов, содержащих оксиды железа (Ю.Н.Готальский. М.А.Лактионов и др.) /Автоматическая сварка. -1987. -N8. -С52-54.

3. Выбор материала переходного слоя двухслойной аустенитной наплавки трубных решеток из перлитной стали повышенной прочности для работы при 173К (М.А.Лактионов, А.Н.Брискман) /Сварочное призводство. -1991,- N8. -С 11.,.14.

4. Технология механизированной сварки аустенитной проиолокой

»

низколегированных сталей (М.А.Лактионов) /Химическое и нофтяноо машиностроение. -1993. -N11 -С38...40.

5. A.C. N1826351 AI ГКИ В 23/362. Керамический флюс для сварки низколегированных высокопрочных ciaJ jй. Кушнеров Д М., Лактионов М А. и др. -Зарегистрирован 13.10.92 г,

6. Положительное решение от 4.01.92 г. по заявко N4927665/27 - 10674 с Приоритетом от 5.04.91 г. Керамический флюс для сварки аустенитной проволокой. Кушнеров Д.М., Устинов С.Д., Лактионов М.А. и др. - Но опубл.

Личный вклад автора.

В (1, 2) исследованы закономерности влияния металлургических факторот на склонность аустенитного наплавленного моталла к горячим трещинам, в (3 установлена прямая взаимосвязь между уровнем легирования аустенитного шв; никелем и хладостойкостью сварных соединений ни.»коле.'иропанны! высокопрочных сталей, в (4) исследовано комплексное влияние технологически; И металлургических факторов на хладостойкость и технологическую прочносп

сварных соединений низколегированных высокопрочных сталей, выполненных аустенитным швом.

Аннотация.

Ключевые слова! низколегированные высокопрочные стали (НЛВП стали), *ладосткойкость, технологическая прочность.

Установлены закономерности влияния технологических и металлургических факторов на структуру и свойства сварных соединений НЛВП ста той, зыполненных аустенитным швом. Получена прямая зависимость уровня ¡згирования аустенитного шва никелем от температуры эксплуатации сварных :оединений НЛВП сталей в диапазоне 203...163 К. Показана эффективность сомплексного легирования аустенитного шва Мо и Мп и установлены >птимальныо содержания их в наплавленном металле. Установлено соотношение сомпонентов шихты керамического флюса, обеспечивающее значительный )ост прочностных характеристик аустенитных швов. На основании выполненных 1сследований разработаны сварочные материалы: проволока ЭК-56 Св-06Х20Н25М6Г8) и флюс марки АНК-70, а также технология сварки сталей \K-25 и АК-27, обеспечивающие требуемый комплекс свойств сварных ¡оединений.

.Summary.

Main words: tow -allow high-strength steels (NLVP), cold resistance, technological strength.

There were found regularities of technological and metallurgical factors intlu-ince on a structure and propeties of NLVP steels, which were fulfilled by austenit'c /eld. Wo have got straight dependence of alloying austenitic weld level by nickel rom temperature of NLVP weld joints operation in the range of T 203...163 K. It is hown the effectiveness of combined Mo and Mn alloying of austenitic weld and the 'Ptimum content of them in the fused metal. It was found the correlation of ceramic charge components which provides considerable increase of austenitic weld earn strenght characteristics. On the basis of perfomed investigation the welding laterials were developed: wire 3K-56 (Weld - 06X20II25M6P8) and flux AN„K-70 rade, and also technology of AK-25 and AK-27 steels welding provitUng'the re-uired weld Joints properties.