Состав сварочной проволоки

(5) М. Кл,зВ 23 К 35/30 С 22 С 38/58 Гасударственный камнтет пе делам нэвбретенн н еткрмтий(72) Авторы изобретения фА. С. Табатчиков, А. В. Пряхин, Л. Н. Бармин и,Г 1. И. Иванов.ЕУральский ордена Трудового Красного Знамениполитехнический институт им. С. М. КиррваМ(54) СОСТАВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ 1Изобретение относится к сварке и может быть использовано преимущественно для сварки низко- и среднелегированных сталей высокой прочности.Известен состав сварочной проволоки 1 содержащий следующие компоненты, вес. %:Углерод 0,1 - 0,45Марганец 0,6 - 0,8 Кремний 0,2 - 0,4 Хром 1,8 - 2 Никель 0,6 - 0,8 Молибден 0,35 - 0,6 Ниобий 0,01 - 0,03 Ванадий 0,01 - 0,03 Бор 0,001 - 0,003 Цирконий 0,05 - 0,25 Церий 0,01 - 0,06 Железо Остальное.Недостатками известной проволоки являются повышенная склонность к разбрызгиванию в процессе сварки, образование горячих трещин в сварных швах, а также высокий уровень остаточных напряжений, вызывающих образование холодных трещин, вследствие чего не достигается равнопрочность шва и основного металла в сварных конструкциях из высокопрочных сталей. Известен состав сварочной проволоки 2),содержащий следующие компоненты, вес. %:Углерод 0,001 - 0,08Марганец 3 - 16Кремний 0,8 - 22Никель 12 - 22Хром 23 - 28Титан 0,5 - 2,5Алюминий 0,5 - 2Цирконий 0,05 - 1,5Кальций 0,01 - 0,15Бор 0,001 - 0,005Церий 0,0001 - О,Иттри й 0,001 - 0,1Ванадий 0,1 - 2Молибден 0,5 - 4,5 5 Вольфрам 0,3 - 5Железо Остальное.Однако известная проволока не обеспечивает в металле шва минимальное значениеостаточных напряжений.Целью изобретения являются повышениесварочно-технологических свойств проволоки и обеспечение в металле шва минимальных остаточных напряжений и деформаций.Поставленная цель достигается тем, чтосостав сварочной проволоки, содержащийуглерод, марганец, кремний, хром, никель,молибден, ванадий, титан, церий, бор, иттрий,железо, дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, вес./о.Углерод 0,02 - 0,10 Никель 4,00 - 22,20 Хром 0,12 - 2,50 Молибден 0,30 - 4,00 Ванадий 0,10 - 1,20 Марганец 0,50 - 2,50 Кремний 0,2 - 1,5 Титан 0,01 - 0,15 Бор 0,002 - 0,10 Иттрий 0,03 - 0,15 Церий 0,01 - 0,08 Барий 0,002 - 0,08 Железо - Остальное.Предложенный состав сварочной проволоки при сварке обеспечивает высокую стабильность горения дуги, малое разбрызгивание электродного металла, хорошее формирование шва. Структура наплавленного металла мартенситная. Снижение остаточных напряжений достигается благодаря образованию мартенсита замещения. Образование мартенсита обеспечивается обязательным содержанием основных легирующих элементов (с учетом доли участия основного металла в металле шва) в следующих пределах: 4 - 22,2 вес. /ц никеля, 0,12 - 2,5 вес. / хрома, 0,3 - 4,0 вес. / молибдена, 0,1 - 1,2 вес. /, ванадия. В таком мартенсите достигается достаточно высокая плотность подвижных дислокаций (-10 см ), что способствует релаксации напряжений, возникающих в процессе охлаждения металла шва и околошовной зоны.Никель является основным легирующим элементом, участвующим в образовании мартенсита замещения. Легирование никелем снижает сопротивление кристаллической решетки железа движению свободных дислокаций (силы Пайерлса-Набарро) и уменьшает энергию взаимодействия дислокаций с атомами внедрения (углерода), поэтомуоблегчается релаксация напряжений и уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению. Нижнее содержание никеля ограничено с целью исключить появление в структуре массивного феррита (высокая температура начала -+ фе превращения), Верхнее содержание никеля ограничивается тем,что он снижает температуру начала-эАпревращения и способствует появлению в структуре остаточного аустенита, поскольку последний подобно ферриту резко снижает релаксационную способность мартенсита и прочностные характеристики сварного соединения.При указанных содержаниях хром упрочняет одновременно матрицу и границы зерен, поэтому при возрастании прочности пластичность и ударная вязкость практически не изменяются. Повышенное содержание хрома приводит к охрупчиванию границ зерен и межзеренных прослоек между ними из-за 5 о 15 20 25 30 35 40 45 50 55 появления избыточного количества карбидов, что приводит к существенному снижению пластичности и ударной вязкости. При малых содержаниях никеля введение хрома способствует образованию мартенсита замещения за счет снижения температуры начала у - э к-превращения.Верхнее содержание углерода ограничивается 0,1 вес. /с в связи с тем, что он образует атмосферы Котрелла из внедренных атомов около дислокаций, блокирует их и затрудняет зарождение новых дислокаций. Закрепление дислокаций, вызванное атомами внедрения, повышает сопротивлЕ- ние пластической деформации и, следовательно, снижает релаксационную способность мартенсита. Исходя из этого необходимо иметь в твердом растворе как можно меньшее содержание углерода, способного образовывать твердые растворы внедрения. Концентрация атомов внедрения, необходимая для образования насыщенных атмосфер Котрелла, зависит от плотности дислокаций. Так, в отожженном железе с невысокой плотностью дислокаций ( 10 см ) даже самые малые концентрации углерода (3 10 4 вес. "/) достаточны для закрепления всех дислокаций, тогда как в мартенсите с большой плотностью дислокаций (Осм) для их закрепения требуется уже 0,2 вес / углерода, и при меньших содержаниях углерода часть дислокаций оказывается незакрепленной. Нижний предел содержания углерода 0,02 вес. й ограничивается лишь возможностями металлургического передела.Ванадий и молибден снижают температуру начала у -. превращения, связывают углерод в карбиды и выводят его из твердого раствора, что повышает подвижность дислокаций, а следовательно, и релаксационную способность мартенсита. Молибден в сочетании с титаном и ванадием, вводимые в указанных количествах, улучшают механические свойства сварного шва при комнатной и пониженных температурах, Наличие ванадия и молибдена в больших количествах может привести к дисперсионному твердению мартенсита и охрупчиванию.Наличие 0,01 - 0,15 вес."й титана обеспечивает повышенную стойкость металла шва против образования горячих трещин. Горячие трещины в металле шва без титана проходят по сульфидным цепочкам и пленкам. Титан видоизменяет, дезориентирует микроструктуру металла шва, способствует разрушению сульфидных включений. На стойкость наппавленного металла к образованию горячих трещин наиболее благоприятно сказывается появление разобщенных тугоплавких сложных титанистых сульфидных фаз (сульфидов, карбосульфидов и др.), сравнительно равномерно распределенных по границам дезориентированных кристаллов в их межосных пространствах. При содержании титана в проволоке более 0,15 вес, й в наплавленном металле появляются сложные титанистые фазы, которые965679 Легируюцийэлемент 0,06 0,0211,0 0,1 УглеродНикель 7,51 22,2 Хром 0,124,0 2,5 1,25 Молибден 0,3 2,03 колониями или группами оконтуривают границы первичных кристаллитов, что приводит к снижению стойкости к образованию горячих трещин. При содержании титана в проволоке менее 0,01 вес. % заметного его влияния на свойства наплавленного металла не обнаружено.Бор, вводимый в количестве 0,002 - 0,1 вес. %, способствует измельчению зерна первичной кристаллизации. Ввиду чрезвычайно малой растворимости бора в металлах и их сплавах (растворимость в ы, железе не превышает 0,15 вес. %), а также способности бора как поверхностно-активного элемента обогащать границы зерен и другие места скоплений несовершенств кристаллического строения образование некоторого количества боридов имеет место уже при очень малых содержаниях бора (0,001 вес. %) Образуя тугоплавкие соединения с металлами, а также с азотом и кислородом, бор, будучи активным раскислителем, одновременно действует как активный модификатор (особенно при совместном введении с титаном), измельчая зерно первичной кристаллизации. Однако измельчение зерна первичной кристаллизации наблюдается только при содержании бора до 0,1 вес. %. При более высоких содержаниях бор способствует укрупнению зерна и появлению боридной эвтектики, располагающейся по границам зерен, что приводит к резкому снижению пластических свойств наплавленного металла.Нижний предел содержания бора ограничивается началом проявления модифицирующего действия.Наличие 0,03 - 0,15 вес. % иттрия в составе сварочной проволоки позволяет повысить релаксационную способность мартен- сита и улучшить механические свойства, ,так как измельчается структура металла шва и очищаются границы зерен от примесей, Иттрий, обладая высоким сродством к кислороду и сере, благоприятно изменяет состав, форму и расположение неметаллических включений в металле шва. Нижний предел содержания иттрия 0,03 вес. фД принят из условия начала его влияния на структуру и релаксационную способность мартенсита. Верхний предел - 0,15 вес. % обусловлен эффективностью и экономической целесообразностью. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Наличие церия и выбор определенногосоотношения концентрации остальных компонентов, обусловливающих наличие мартенситной структуры, позволяет уменьшитьсклонность металла к порообразованию,так как никель не только повышает пластичность, но и увеличивает склонность к порообразованию. Присутствие в сварочной проволоке таких сильных раскислителей, какиттрий, церий, титан и бор, необходимых,в частности, для глубокого раскисленияметалла сварочной ванны и связывания серы, приводит к ухудшению характеристиккапельного переноса электродного металла.Поэтому в состав сварочной проволоки вводится барий, присутствие которого снижаетпотенциал ионизации горения дуги и способствует ее стабилизации. Пределы содержания бария и церия приняты от значений0,002 вес. % и 0,01 вес. % соответственно,когда начинает проявляться влияние этихэлементов на уменьшение порообразованияи разбрызгивания электродного металлапри сварке в защитных газах, до значения0,08 вес. %, когда эффективность их становится максимальной.Марганец и кремний являются неооходимыми элементами в сварочной приво,оке,предназначенной для сварки в; кти низагцитных газаХ. Верхние прсде,-нния марганца и кремния приняты,. .,ксохранения пластических свои., . , г,шва. Нижние пределы обуслов,чением надлежащей макростр ы,ного шва (отсутствие немета., , кихшлаковых включений), так к:,содержаниях марганца и кремния вышполучаются продукты раскисления с от нсительно невысокой температурой плавления,что облегчает их коагуляцию и удвоенина поверхность ванны.Предложенный состав сВарочной нроволоки позволяет получить качественныйнаплавленный металл со структурой низко.углеродистого никелевого мартенсита, который обеспечивает релаксацию напряженийв шве и околошовной зоне в процессе ихохлаждения после сварки. Это приводитк снижению уровня остаточных напряженийи деформаций в шве и сварной конструкции.В табл. 1 приводятся варианты выполнения предлагаемого состава сварочнойпроволоки,Таблица 11 2 3 0,56 1,18 1,2 0,1 ВанадийИарганецКремнийТитан 0,5 2,5 0,95 0,08 0,06 0,2 0,15 0,01 0,1 0,002 Бор 0,15 0,08 0,08 0,09 0,04 0,03 0,01 0,03 0,002Ост,Ост,Ост. Проводят лабораторные испытания предлагаемой и известной сварочных проволок путем определения коэффициентов разбрызгивания электродного металла, остаточных напряжений и угловых деформаций в сварных стыковых соединениях. Размеры Свариваемых пластин 500 Х 200 Х 22 мм, разделка кромок Ч-образная. При замере угловых деформаций одна из свариваемых пластин закрепляется, а другая имеет возСварочная гроволока Коэффициентразбрызгивания еформация, мм На расстоянии от оси в шве шва мм 15 30 45 14,2 Вариант 1 Вариант 2Вариант 3+94 -14 +43 +86 -15 +37 +83 -17 +35 5,01 +132 3,94 +110 4,73 +122 12,0 10,1 Проведенные испытания показывают, что разбрызгивание электродного металла в 1,3 - 1,8 раза меньше, чем при сварке проволокой известного состава. Остаточные напряжения в шве при сварке проволоками с предлагаемым составом в 1,5 - 1,8 раза ниже, чем при сварке проволокой известного состава, а деформации от углового излома в 1,5 - 1,9 раза меньше.Таким образом, применение сварочной проволоки предложенного состава позволяет снизить трудоемкость изготовления сварной ИттрийЦерийБарийЖелезо можность поворачиваться относительно оси шва под действием напряжений на какую-то, величину 1 (мм) в точке замера, удаленной от оси шва на расстояние 230 мм. Остаточ 25 ные напряжения замеряют по методике МВТУ. Во всех случаях сварка производится в среде углекислого газа,В табл. 2 приведены результаты испытаний,Таблица 2 Продольные остаточныенапряжения, ИПа конструкции на 20 - 50% (в зависимости от ее сложности и назначения), Это достигается путем исключения или частичной отмены операций, направленных на устранение или предотвращение недопустимых остаточных напряжений и деформаций в шве и сварной конструкции. Например, высокий отпуск сварных конструкций, проводимый с целью снятия остаточных напряжений, по объему своего применения значительно превосходящей все остальные методы снижения остаточных напряжений,965679 10 Формула изобретения 50 Составитель Т. Арест Редактор Г. Гербер Техред И. Верес Корректор А. Ференц Заказ 7186/16 Тираж 1153 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4занимает по времени, несколько часов, что приводит к значительному повышению трудоемкости. Трудоемкость снижается также и на стадии зачистки сварноч конструкции от брызг электродного металла. На отдельных конструкциях время зачистки составляет 10 - 15% от времени сварки (при автоматической и полуавтоматической сварке в среде углекислого газа),Применение сварочных проволок предложенного состава повышает качество изготовления сварных конструкций и снижает их себестоимость на 5 - 10%, так как отпадает потребность (в зависимости от требований и назначения - частично или полностью) в оборудовании для термической обработки, правки, подгонки, подрубки, зачистки от брызг и обслуживающем его персонале. Уменьшаются припуски на механическую обработку деталей и узлов, так как возникающие в процессе сварки деформации заготовок требуют назначения повышенных припусков. Например, толщина стенок полого сварного вала, который должен обрабатываться по внутреннему и наружному диаметру, должна быть больше на 5 - 10% ввиду появления углового излома в зоне кольцевого 1 г 1 ва. Подобные случаи имеют место в протяженных сварных деталях другого типа (тавры, балки различного профиля и др,).Остаточные деформации (перемещения) в значительном большинстве случаев затрудняют сборку элементов сварных конструкций, а в отдельных случаях делают ее вообще невозможной без предварительных подгоночных операций. Это усложняет технологию и увеличивает трудоемкость изготовления конструкций, Например, после сварки тонколистового полотнища в результате потери устойчивости коробление настолько значительно, что сваренные ранее пластины невозможно собрать между собой, не применив перед сваркой их правку, подрезку, подрубку и т. и. То же самое можно сказать и об отдельных элементах сложных балочных конструкций, которые перед сборкой, как правило, должны подвергаться правке, так как они не могут быть собраны ввиду наличия больших зазоров от изгиба. Остаточные деформации ухудшают также внешний вид изделия, это, в основном, относится к различным листовым обшивкам машин и аппаратов. Снижение. остаточных напряжений и деформаций в 1,5 - 4 раза и улучшение качества металла шва приводит к повышению эксплуатационной надежности конструкции. 10 15 20 25 30 35 40 Такие деформации, как искривление проольной оси элементов, работающих на сжатие, грибовидность полок балок и колонн, выключают из работы часть сечения и значительно снижают величину критических нагрузок, вызывающих потерю устойчивости конструкции. Если при сварке сосудов, работающих под давлением, в шве возникают ра стягивающие напряжения (остаточные плюс рабочие), равные или превышающие предел текучести, то при недостаточной местной деформационной способности металла (когда пластических свойств металла недостаточно для компенсации деформаций, приходящихся на данный объем металла) происходит разрушение сосуда, Эффективность влияния остаточных напряжений на усталостную прочность увеличивается при наличии концентраторов напряжений, которых трудно избежать при сварке, а также со снижением температуры эксплуатации и пластических свойств металла,Состав сварочной проволоки преимущественно для сварки низко- и среднелегированных сталей повышенной прочности,содержащий углерод, марганец, кремний,хром, никель, молибден, ванадий, титан,церий, бор, иттрий, железо, от.гичающийеятем, что, с целью повышения сварочно-технологических свойств проволоки и обеспечения в металле шва минимальных ост;точных напряжений и деформаций, сося,.дополнительно содержит барий при с -дующем соотношении компонентов, вес.Углерод 0,02 - 0,10Никель 4 - 22.2Хром 0,12 - 2,5Молибден 0,3 - 4,0Ванадий 0,1 - 1,2Марганец 0,5 - 2,5Кремний 0,2 - 1,5Титан 0,01 - О, 5Бор 0,002 - 0,1Иттрий 0,03 - 0,15Церий 0,01 - -0,08Барий 0,002 - 0,08Железо Остальное,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР660804, кл. В 23 К 35/30, 1979.2. Авторское свидетельство СССР727382: кл. В 23 К 25/30, 1977 (прототип).