Состав сварочной проволоки

Состав сварочной проволоки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<»>965679

Ф

"C

1 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 27.03.81 (2! ) 3264349/25-27 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (5!) М. Кл.э

В 23 К 35/30

С 22 С 38/58

Гасударственный камнтет пе делам нэвбретеннй н еткрмтий

Опубликовано 15.10.82. Бюллетень № 38

Дата опубликования описания 15.10.82 (53) УДК 621.791. .042.2 (088.8) (72) Авторы изобретения

>I

А. С. Табатчиков, А. В. Пряхин, Л. Н. Бармин и, Г1. И. Иванов .

Е

1

Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Киррва (71) Заявитель (54) СОСТАВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

Изобретение 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 — 0,45

Марганец 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 — 0,08

Марганец 3 — 16

Кремний 0,8 — 22

Никель 12 — 22

Хром 23 — 28

Титан 0,5 — 2,5

Алюминий 0,5 — 2

Цирконий 0,05 — 1,5

Кальций 0,01 — 0,15

Бор 0,001 — 0,005

Церий 0,0001 — О,!

Иттри и 0,001 — 0,1

Ванадий 0,1 — 2

Молибден 0,5 — 4,5 !

5 Вольфрам 0,3 — 5

Железо Остальное.

Однако известная проволока не обеспечивает в металле шва минимальное значение остаточных напряжений.

Целью изобретения являются повышение сварочно-технологических свойств проволоки и обеспечение в металле шва минимальных остаточных напряжений и деформаций.

Поставленная цель достигается тем, что состав сварочной проволоки, содержащий

965679 углерод, 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 02 — 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. /q хрома, 0,3 — 4,0 вес. /д 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), поэтому облегчается релаксация напряжений и уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению. Нижнее содержание никеля ограничено с целью исключить появление в структуре массивного феррита (высокая температура начала g-+ < превращения) . Верхнее содержание никеля ограничивается тем, что он снижает температуру начала -эА превращения 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

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 g - м;превращения.

Верхнее содержание углерода ограничивается 0,1 вес. /o 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 сопротивлЕние 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. "/q! достаточны для закрепления всех дислокаций, тогда как в мартенсите с большой плотностью дислокаций (! 0 см ) для их закрепения требуется уже 0,2 вес /ц углерода, и при меньших содержаниях углерода часть дислокаций оказывается незакрепленной. Нижний предел содержания углерода 0,02 вес. /> ограничивается лишь возможностями металлургического передела.

Ванадий и молибден снижают температуру начала g — 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 001 — 0,15 вес. "/ 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. /o в наплавленном металле появляются сложные титанистые фазы, которые

965679

Легируюций элемент

0,06

0,02

4,0

0,1

Углерод

Никель

7,51

22,2

Хром

0,12

4,0

2,5

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 черезвычайно 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 способству-. ет 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 мартенсита 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. принят из условия начала его влияния на структуру и релаксационную способность мартенсита.

Верхний предел — 0,15 вес. % обусловлен эффективностью и экономической целесообразностью.

Наличие церия и выбор определенного соотношения концентрации остальных компонентов, обусловливающих наличие мартенситной структуры, позволяет уменьшить склонность металла к порообразованию, так как никель не только повышает пластичность, но и увеличивает склонность к порообразованию. Присутствие в сварочной проволоке таких сильных раскислителей, как иттрий, церий, титан и бор, необходимых, в частности, для глубокого раскисления металла сварочной ванны и связывания серы, приводит к ухудшению характеристик капельного переноса электродного металла.

Поэтому в состав сварочной проволоки вводится барий, присутствие которого снижает потенциал ионизации горения дуги и способствует ее стабилизации. Пределы содержания бария и церия приняты от значений

0,002 вес. % и 0,01 вес. % соответственно, когда начинает проявляться влияние эн х элементов на уменьшение порообразования и разбрызгивания электродного металла при сварке в защитных газах, до значения

0,08 вес. %, когда эффективность их становится максимальной.

Марганец и кремний являются неооходимыми элементами в сварочной п1 оно.i! i, предназначенной для сварки в; кти»ни загцитных газах. Верхние прсде,-ы ния марганца и кремния приняты . . ..к . :.ч сохранения пластических свои. : ..: - ... г, шва. Нижние пределы обуслов, чением надлежащей макрос1р,:..: ы. ного шва (отсутствие немета.. Ili ких шлаковых включений), так к;;:., содержаниях марганца и кремни>:;. выш получаются продукты раскисления с от госительно невысокой температурой пла л» 1

Предложенный состав сяа роч ной il t îволоки позволяет получить качественный наплавленный металл со структурой низкоуглеродистого никелевого мартенсита, который обеспечивает релаксацию напряжений в шве и околошовной зоне в процессе их охлаждения после сварки. Это приводит к снижению уровня остаточных напряжений и деформаций в шве и сварной конструкции.

В табл. 1 приводятся варианты выполнения предлагаемого состава сварочной проволоки.

Таблица 1

965679

Продолжение табл. 1

Содержание, вес.4

Легирующий элемент

) 1 2 3

0,56

1,18

1,2

0,1

Ванадий

Иарганец

Кремний

Титан

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

0,002

Ост, 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 500Х200Х22 мм, разделка кромок V-образная. При замере угловых деформаций одна из свариваемых пластин закрепляется, а другая имеет возСварочная гроволока

Коэффициент разбрызгива ния, с еформация, мм

На расстоянии от оси в шве шва мм

15 30 45

14,2

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

+94 -14 +43

+86 -15 +37

+83 -17 +35

5,01 +132

3,94 +110

",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

Иттрий

Церий

Барий

Железо можность поворачиваться относительно оси шва под действием напряжений на какую-то, величину f (мм) в точке замера, удаленной от оси шва на расстояние 230 мм. Остаточ25 ные напряжения замеряют по методике

МВТУ. Во всех случаях сварка производится в среде углекислого газа.

В табл. 2 приведены результаты испытаний.

Таблица 2

Продольные остаточные напряжения, 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, с1 6567 C\

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 вЂ” 35, Раушская наб, д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 занимает 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 1г1ва. 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.

4О

Такие деформации, как искривление про, ольной 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 растягивающие 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.гичаюи1ийея тем, что, с целью повышения сварочно-технологических свойств проволоки и обеспечения в металле шва минимальных пей; точных напряжений и деформаций, сосгав дополнительно содержит барий при с-:.дующем соотношении компонентов, вес.

Углерод 0,02 — 0,10

Никель 4 — 22.2

Хром 0,12 — 2,5

Молибден 0,3 — 4,0

Ванадий 0,1 — 1,2

Марганец 0,5 — 2,5

Кремний 0,2 — -1,5

Титан 0,01 — О,! 5

Бор 0,002 — О,1

Иттрий 0,03 — 0,15

Церий 0,01 — -0,08

Барий 0,002 — 0,08

Железо Остальное.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 660804, кл. В 23 К 35/30, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР № 727382: кл. В 23 К 25/30, 1977 (прототип) .