Результат интеллектуальной деятельности: СОСТАВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

Изобретение относится к сварке и касается состава сварочной проволоки для сварки и наплавки изделий из низколегированных конструкционных сталей, работающих при больших знакопеременных нагрузках и низких температурах, и может быть использовано преимущественно для изделий тяжелого машиностроения, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера.

Известен состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, железо, в который введен кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,066-0,087, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,015-0,020 (см. патент РФ №2104138, кл. В23К 35/30, опубл. 10.02.1998).

К недостаткам данного состава можно отнести нестабильное мерцающее горение дуги, а также возможность образования горячих трещин и сравнительная хрупкость сварного шва.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа состав сварочной проволоки, содержащий углерод, кремний, марганец, ванадий, кальций, серу, фосфор и железо (см. патент РФ №2241585, кл. В23К 35/30, С22С 38/12, опубл. 10.12.2004).

К недостаткам прототипа также можно отнести недостаточную прочность сварных соединений низколегированных конструкционных сталей и ударную вязкость сварного шва при низких температурах, что может привести к образованию трещин сварного шва.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в получении оптимальных физико-механических свойств металла сварного шва при сварке низколегированных конструкционных сталей в условиях низких температур, а именно: повышение трещиностойкости околошовной зоны сварного шва, а также сочетание повышенных оптимальных значений прочности и ударной вязкости сварного шва при высокой антикоррозийной стойкости и прочности металла.

Указанный технический результат достигается тем, что в состав сварочной проволоки, содержащий углерод, кремний, марганец, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, введены никель, титан и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом отношение содержания углерода к ванадию должно составлять 0,4-1,2, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,015-0,030.

Ванадий и кальций в предлагаемых пределах введены в состав сварочной проволоки как комплекс карбидообразующих и модифицирующих добавок.

При введении ванадия менее 0,05 мас.% карбиды ванадия при сварке низколегированных конструкционных сталей образуются в металле сварного шва в незначительном количестве, что приводит к росту зерна при сварке и, как следствие, к снижению ударной вязкости и прочности металла шва. Повышение содержания ванадия выше 0,3 мас.% приводит к чрезмерному напряжению, особенно границ зерен, что приводит к снижению ударной вязкости при сварке низколегированных конструкционных сталей и появлению трещин в основном и околошовной зоне сварки.

Ванадий, введенный в предлагаемых пределах при сварке низколегированных конструкционных сталей в металле шва околошовной зоне, образует карбиды мелкодисперсной формы.

Введение в композицию азота, углерода и никеля в указанном соотношении в качестве стабилизирующего компонента магнитной составляющей электрической дуги и пластификатора технологического процесса обеспечивает повышение прочности в сочетании с высокой антикоррозийной стойкостью и прочностью сварного шва при сварке низколегированных конструкционных сталей, что обеспечивает повышение эффективности и технологичности сварки и наплавки изделий из низколегированных конструкционных сталей, при этом увеличенное относительное содержание компонентов ведет к ухудшению технико-экономических характеристик данного состава и неоправданному резкому увеличению стоимости сварочных электродов.

Ведение в композиции кальция, титана и никеля в указанном сочетании в мас.% обеспечивает повышение трещиностойкости околошовной зоны сварного шва при сварке низколегированных конструкционных сталей в условиях низких температур и лучше связывает серу.

Экспериментальным путем было установлено, что соотношение содержание углерода и ванадия, позволяющее получить оптимальную стабильную структуру и высокое качество поверхности металла сварного шва при сварке низколегированных конструкционных сталей Ст.3 - Ст.45 с равномерно распределенными мелкодисперсными карбидами должно отвечать следующей зависимости:

C:V=0,4-1,2

где С и V - содержание углерода и ванадия, мас.%.

При увеличении данного соотношения более 1,2% ухудшается состав карбидной зоны металла шва - появляются менее твердые карбиды цементного типа. При снижении данного соотношения менее 0,4% снижается прочность металла сварного шва за счет уменьшения количества карбидной фазы.

Кальций введен в количестве 0,005-0,009 мас.% как раскислительный компонент и образует в металле сварного шва оксисульфиды глобулярной формы. При содержании кальция ниже 0,005 мас.% ухудшается морфология сульфидов, приобретающих игольчатую форму, что вызывает резкое снижение стойкости металла шва к хрупкому разрушению. Избыточное содержание кальция выше 0,009 мас.% приводит к выделению оксисульфидов по границам зерен и снижению стойкости металла шва к хрупкому разрушению.

Оптимальное соотношение содержание серы и суммарного содержания кальция и марганца при сварке низколегированных конструкционных сталей, позволяющее получить высокое качество поверхности металла сварного шва с минимальным содержанием неметаллических включений по границам зерен, а также с мелкими оксисульфидами глобулярной формы, было определено экспериментальным путем и отвечает следующей зависимости:

S:(Ca+Mn)=0,015-0,030,

где S, Ca, Mn - содержание серы, кальция, марганца, мас.%.

При увеличении данного соотношения более 0,030 мас.% снижаются пластические свойства металла сварного шва за счет выделения при сварке низколегированных конструкционных сталей (Ст.3 - Ст.45) в металле шва сульфидов марганца игольчатой формы, что приводит к снижению стойкости, а также к образованию трещин и последующему хрупкому разрушению сварного шва. Снижение данного соотношения менее 0,015 мас.% может привести к выделению оксисульфидов по границам зерен и снижению стойкости металла сварного шва к хрупкому разрушению.

Как показывают экспериментальные данные, при сварке низколегированных конструкционных сталей предлагаемая сварочная проволока при одновременном сочетании оптимальных соотношений С:V=0,4-1,2 и S:(Ca+Mn)=0,015-0,030, а также при содержании остальных указанных компонентов в предлагаемом диапазоне позволяет получить хороший комплекс физико-механических свойств металла сварного шва, а именно повышение трещиностойкости околошовной зоны сварного шва, а также сочетание повышенных оптимальных значений прочности и ударной вязкости сварного шва при высокой антикоррозийной стойкости и прочности металла.

Такое сочетание физико-механических свойств металла обеспечивается стабильной структурой металла сварного шва при сварке низколегированных конструкционных сталей, а также наличием равномерно распределенных мелкодисперсных карбидов, которые способствуют образованию мелкого зерна в металле сварного шва.

На базе ОАО "Уралмашзавод" были изготовлены несколько вариантов сварочной проволоки различного состава. Сварку производили сварочной проволокой диаметром 3 мм следующего состава, мас.%: С - 0,06; Si - 0,5; Mn - 1,1; V - 0,05; Са - 0,007; S - 0,02; Р - 0,03; Ni - 0,25; Ti - 0,05; N - 0,012; Fe - остальное.

Режим сварки: I_св=320-20 A, U_св=29+2В, V_св=20 м/ч.

Температура нагрева 160°С.

После сварки вырезанные стандартные образцы подвергались визуальному осмотру и механическим испытаниям.

Наряду с испытаниями образцов, сваренных предлагаемой сварочной проволокой, качественной оценке подвергались образцы металлов сварного шва, сваренных проволокой 08ХСМФА.

Режим сварки тот же, что и в случае с предлагаемой сварочной проволокой, но даже при температуре предварительного подогрева 180°С в металле шва, сваренного проволокой-прототипом, появлялись мелкие волосяные трещины размером от 1 мм по всей длине.

Металлографический анализ показал, что металл сварного шва имеет многочисленные сульфиды марганца игольчатой формы. Твердость металла сварного шва составляет 320-340 HV, при этом прочность была повышена на 11-13%, а ударная вязкость не менее чем на 10%.

В результате проведенных испытаний на основании полученных данных можно установить, что для получения стабильной структуры и высоких физико-механических свойств металла сварного шва для сварки низколегированных конструкционных сталей необходимо использовать сварочную проволоку предлагаемого состава с учетом предлагаемых соотношений.

Результаты исследований на прочность и ударную вязкость подтверждаются ранее полученными результатами на качественную оценку жестких проб для горячих и холодных трещин при сварке низколегированных конструкционных сталей в условиях низких температур. Кроме этого, наличие трещин на натуральных образцах полностью совпадает с наличием трещин на исследуемых образцах.