Результат интеллектуальной деятельности: СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВАРКИ ХЛАДОСТОЙКИХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали транспортно упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.

Аналогом по химическому составу (таблица 1) предлагаемого сварочного материала служит сварочная проволока марки Св-08Г2С [ГОСТ 2246-70], содержащая (мас.%):

Данный материал при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов не обеспечивает хладостойкости металла шва при температуре ниже минус 20°С: KCV^-20°С=79÷96 Дж/см²; KCV^-50°С=11÷17 Дж/см²; KCV^-60°С=9÷14 Дж/см² (таблица 2) и поэтому не может быть применен для сварки металлоконструкций ТУК МБК из хладостойкой низколегированной стали.

За прототип заявляемого сварочного материала (таблица 1) принята сварочная проволока импортного производства, содержащая (мас.%) [JP 07-276086 А, B23K 35/368, 24.10.1995, реферат, описание [0007] 2 л.]:

Указанная проволока имеет комплексную систему легирования для обеспечения хладостойкости металла шва, выполненного полуавтоматическим способом сварки в смеси защитных газов, однако стабильность хладостойкости обеспечивается при температуре не ниже минус 40°С: KCV^-40°C=116÷84 Дж/см²; KCV^-50°C=23÷81 Дж/см²; KCV^-60°C=14÷49 Дж/см² (таблица 2).

Техническим результатом изобретения является состав сварочного материала (таблица 1), обеспечивающий хладостойкость при температурах не менее минус 60°С металла шва сварных соединений из хладостойкой низколегированной стали при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов. Ударная вязкость металла шва, выполненного указанным составом сварочной проволоки, составляет не менее 60 Дж/см² при температуре минус 60°С: KCV^-50°С=84÷96 Дж/см²; KCV^-60°С=64÷81 Дж/см² (таблица 2).

Представленный в заявке технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также ограничением содержания в проволоке серы, фосфора, азота, кислорода, цветных примесей.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

При этом

- суммарное содержание элементов-модификаторов не должно превышать V+Nb=≤0,15;

- суммарное содержания примесей не должно превышать S+P+N₂+O₂≤0,030;

- суммарное содержание цветных примесей не должно превышать As+Sn+Sb≤0,015.

Содержание марганца устанавливается в оптимальном пределе (1,8÷2,1)%. Минимальное содержание марганца по сравнению с прототипом увеличивается в шесть раз с учетом его выгорания при полуавтоматической сварке и необходимостью увеличения доли бейнитной составляющей в структуре металла шва для повышения хладостойкости. Верхний предел содержания марганца, по сравнению с прототипом, уменьшается на тридцать процентов для предотвращения формирования грубой игольчатой составляющей в структуре металла шва.

Содержание кремния устанавливается в оптимальном пределе (0,40÷0,65)%, позволяющем обеспечить как раскисление металла шва при сварке, так и предотвратить избыточное образование в структуре неметаллических включений типа силикатов, отрицательно влияющих на хладостойкость.

Содержание элементов-модификаторов устанавливается в оптимальных пределах: ниобия (от более 0,05 до 0,10%) и ванадия (от 0,05 до менее 0,10%). Введение элементов-модификаторов в указанных пределах приводит к формированию в металле шва оптимального количества мелкодисперсных карбидов типа VC, NbC, что позволяет обеспечить повышение хладостойкости при отрицательных температурах за счет измельчения структуры металла шва и увеличения работы распространения трещины.

В связи с тем, что избыточное количество карбидов типа VC, NbC в структуре металла шва приводит к значительному повышению прочностных свойств и снижению хладостойкости, устанавливается оптимальное суммарное содержание в проволоке элементов-модификаторов V+Nb≤0,15.

Регламентирование суммарного содержания вредных примесей S+P+N₂+O₂≤0,030 способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла шва за счет снижения содержания в структуре неметаллических включений и уменьшения сегрегации вредных примесей по границам зерен и по границам фаз.

Суммарное ограничение содержания цветных примесей - As+Sb+Sn≤0,015 способствует повышению хладостойких свойств металла шва после проведения термической обработки - высокого отпуска.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в изменении соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также регламентированном содержании примесных элементов с целью обеспечения высоких хладостойких свойств металла шва сварных соединений из низколегированных хладостойких сталей при температурах до минус 60°С.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в снижении хладостойкости метала шва при отрицательных температурах.

На производственно-экспериментальной базе ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" был проведен комплекс работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения механических и хладостойких свойств представлены в табл. №1-3. Термическая обработка (отпуск) была выполнена по стандартному режиму, соответствующему свариваемой стали и применительно к режиму отпуска элементов ТУК МБК (650±10°С - 8 ч).

Ожидаемый технико-экономический эффект при использовании предлагаемого сварочного материала выразится в сохранении ядерной и экологической безопасности в местах длительного хранения и при транспортировке отработавшего ядерного топлива, за счет обеспечения требуемой хладостойкости металла шва сварных соединений ТУК МБК при всех условиях эксплуатации, включая аварийные ситуации. Кроме того, использование при сварке безникелевого экономно легированного сварочного материала позволит значительно сократить материальные затраты при изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.