RU2012470C1 - Powder wire for steel welding - Google Patents

Abstract

FIELD: steel welding. SUBSTANCE: powder wire is composed of a steel sleeve and powder mixture. The mixture contains (% by mass): rutile concentrate 35-40; hematite 38-45; manganese 6-8; aluminium 1.5-2.5; lithium fluoride 2.0-4.5; silicocalcium 1.5-3-5; cadmium oxide 0.5-1.5; loparite concentrate 0.5-2.0; nickel 3-5. The space ratio is 30-34% . EFFECT: improved quality of welded joints, increased corrosion resistivity. 1 tbl

Description

Изобретение относится к сварочным материалам преимущественно для сварки под водой и может быть использовано для механизированной сварки при выполнении подводно-технических работ. The invention relates to welding materials mainly for welding under water and can be used for mechanized welding when performing underwater technical work.

Известна порошковая проволока для сварки металлов под водой ППС-АН1, в состав которой входят компоненты в следующем соотношении, мас. % : Титановый концентрат 25-35 Гематит 15-25 Ферромарганец 5-15 Железный порошок 34-44
Двухромовокислый калий 0,7-1,3
Данная проволока позволяет сваривать под водой низкоуглеродистые стали типа ВСт. 3сп и некоторые низколегированные стали типа 09Г2. Однако в судостроении и при производстве труб для транспортировки нефти и газа широко применяются высокопрочные низколегированные стали типа 10ХСНД, 17Г1С, Х60, Х70 и т. д. Неудовлетворительная прочность сварных соединений и появление трещин в околошовной зоне не дает возможности использовать проволоку ППС-АН1 для сварки вышеназванного класса сталей под водой.Known flux-cored wire for welding metals under water PPS-AN1, which includes components in the following ratio, wt. %: Titanium concentrate 25-35 Hematite 15-25 Ferromanganese 5-15 Iron powder 34-44
Potassium Dichromate 0.7-1.3
This wire allows you to weld under water low-carbon steel type BCT. 3sp and some low alloy steels type 09G2. However, in shipbuilding and in the production of pipes for the transportation of oil and gas, high-strength low-alloy steels such as 10KHSND, 17G1S, X60, X70, etc. are widely used. Unsatisfactory strength of welded joints and the appearance of cracks in the heat-affected zone makes it impossible to use PPS-AN1 wire for welding the above class of steels under water.

Наиболее близкой к заявляемой по составу компонентов шихты является порошковая проволока (прототип), состав которой характеризуется следующим соотношением компонентов, мас. % : Окись кальция 1,0-1,5 Рутиловый кон- центрат 6,0-7,0 Плавиковый шпат 8,0-9,0 Магнезит 4,0-5,0 Гематит 6,0-7,0 Силикомарганец 1,3-1,5 Ферросилиций 0,6-0,7 Алюминий 1,3-1,5 Никель 2,0-2,5 Ферротитан 1,5-2,0 Железный порошок 9,0-10,0
Малоуглеродистая стальная оболочка Остальное
Недостатком данного состава является склонность сварного шва к пористости, низкая ударная вязкость и коррозионная стойкость сварного соединения при сварке сталей под водой.Closest to the claimed composition of the components of the charge is a flux-cored wire (prototype), the composition of which is characterized by the following ratio of components, wt. %: Calcium oxide 1.0-1.5 Rutile concentrate 6.0-7.0 Fluorspar 8.0-9.0 Magnesite 4.0-5.0 Hematite 6.0-7.0 Silikomanganese 1, 3-1.5 Ferrosilicon 0.6-0.7 Aluminum 1.3-1.5 Nickel 2.0-2.5 Ferrotitanium 1.5-2.0 Iron powder 9.0-10.0
Low carbon steel shell
The disadvantage of this composition is the tendency of the weld to porosity, low toughness and corrosion resistance of the welded joint when welding steels under water.

Цель изобретения создать такую порошковую проволоку для сварки сталей под водой, которая могла бы повысить качество и коррозионную стойкость металла шва. The purpose of the invention to create such a flux-cored wire for welding steels under water, which could improve the quality and corrosion resistance of the weld metal.

Для этого порошковая проволока для сварки сталей, состоящая из стальной низкоуглеродистой оболочки и шихты, содержащей рутиловый концентрат, гематит, марганец, алюминий, никель, дополнительно содержит фторид лития, силикокальций, оксид кадмия, лопаритовый концентрат при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Рутиловый кон- центрат 35-40 Гематит 38-45 Марганец 6-8 Алюминий 1,5-2,5 Фторид лития 2-4,5 Силикокальций 1,5-3,5 Оксид кадмия 0,5-1,5
Лопаритовый кон- центрат 0,5-2 Никель 3-5, при этом коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 30-34% .For this, a flux-cored wire for welding steel, consisting of a steel low-carbon sheath and a mixture containing rutile concentrate, hematite, manganese, aluminum, nickel, additionally contains lithium fluoride, silicocalcium, cadmium oxide, loparite concentrate in the following ratio of components, wt. %:
Rutile concentrate 35-40 Hematite 38-45 Manganese 6-8 Aluminum 1.5-2.5 Lithium fluoride 2-4.5 Silicocalcium 1.5-3.5 Cadmium oxide 0.5-1.5
Loparite concentrate 0.5-2 Nickel 3-5, while the fill factor of cored wire is 30-34%.

Лопаритовый концентрат введен в шихту в виде порошка, поставляемого Ловозерским горнообогатительным комбинатом (Кольский полуостров) по СТУ37-1-62. Лопаритовый концентрат - минерал химического состава (Na, Ce, Ca)₂ ˙(Ti, Nb)₂ О₃ содержит, мас. % : Nb₂O₃ 8,0; Ta₂O₅ 0,6; редкоземельные металлы 34, включающие, % : церий 55; лантан 24; неодим 15; празеодим 6; Th₂О₃ - 0,6; TiO₂ 40; SrО 1; примеси 15,8.Loparite concentrate was introduced into the charge in the form of a powder supplied by the Lovozero Mining and Processing Plant (Kola Peninsula) according to STU37-1-62. Loparite concentrate - a mineral of chemical composition (Na, Ce, Ca) ₂ ˙ (Ti, Nb) ₂ O ₃ contains, wt. %: Nb ₂ O ₃ 8.0; Ta ₂ O ₅ 0.6; rare earth metals 34, including,%: cerium 55; lanthanum 24; neodymium 15; praseodymium 6; Th ₂ About ₃ - 0.6; TiO ₂ 40; SrO 1; impurities 15.8.

Большое содержание редкоземельных элементов в концентрате обеспечивает хорошее модифицирование металла шва: измельчается зерно, очищаются границы зерен, уменьшается количество неметаллических включений. Кроме того, ниобий, титан, тантал и другие элементы, присутствующие в лопарите, оказывают легирующее и рафинирующее влияние, повышая механические свойства и коррозионную стойкость сварного соединения. The high content of rare-earth elements in the concentrate provides a good modification of the weld metal: grain is crushed, grain boundaries are cleaned, and the amount of non-metallic inclusions is reduced. In addition, niobium, titanium, tantalum and other elements present in the loparite have an alloying and refining effect, increasing the mechanical properties and corrosion resistance of the welded joint.

Содержание лопарита в указанных пределах 0,5-2,0 является оптимальным. Верхний предел 2,0 связан с технологическими ограничениями - появлением пор и других дефектов. Уменьшение его содержания менее 0,5 не обеспечивает необходимых механических свойств и коррозионной стойкости сварного соединения. Введение лопарита в рекомендуемых пределах способствует получению бездефектных швов. The loparite content in the specified range of 0.5-2.0 is optimal. The upper limit of 2.0 is associated with technological limitations - the appearance of pores and other defects. A decrease in its content of less than 0.5 does not provide the necessary mechanical properties and corrosion resistance of the welded joint. The introduction of loparite within the recommended limits contributes to the production of defect-free joints.

Никель (ГОСТ 9722-79, марка ПНЭ-1) используется в качестве легирующей составляющей. Содержание его в шихте в пределах 3-5% повышает ударную вязкость и коррозионную стойкость металла шва. Изменение процентного соотношения приводит к снижению показателей механических свойств сварного соединения. Nickel (GOST 9722-79, grade PNE-1) is used as an alloying component. Its content in the mixture in the range of 3-5% increases the toughness and corrosion resistance of the weld metal. A change in the percentage leads to a decrease in the mechanical properties of the welded joint.

Марганец при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей является основным легирующим элементом. Повышение прочности металла шва без большого изменения других характеристик может быть достигнуто при содержании марганца в шихте 6 - 8% . При этом измельчается структура металла шва и возрастает предел текучести, а также повышаются пластические свойства и ударная вязкость. Manganese is the main alloying element when welding low-carbon and low-alloy steels. An increase in the strength of the weld metal without a large change in other characteristics can be achieved with a manganese content in the charge of 6-8%. In this case, the structure of the weld metal is crushed and the yield strength increases, as well as the plastic properties and impact strength increase.

Кроме того, марганец является раскислителем, проявляя свою раскислительную способность при содержании в шихте 6% и более, а при содержании свыше 8% наблюдаются технологические дефекты в виде пор, разбрызгивание металла и ухудшение формирования шва, снижается ударная вязкость. In addition, manganese is a deoxidizing agent, exhibiting its deoxidizing ability when the content in the charge is 6% or more, and when the content is over 8%, technological defects in the form of pores are observed, metal spatter and deterioration of the formation of the weld, impact strength decreases.

Марганец связывает серу, уменьшая содержание сульфидов в металле шва и количество неметаллических включений, что в конечном счете улучшает качество сварного соединения. Manganese binds sulfur, reducing the sulfide content in the weld metal and the number of non-metallic inclusions, which ultimately improves the quality of the welded joint.

Фторид лития (марка ИК, ТУ 6-09-170-77), попадая в реакционную зону, разлагается на атомарные литий и фтор. Литий является эффективным элементом, стабилизирующим горение дуги; фтор соединяется с водородом, образуя нерастворимый в металле фтористый водород. При этом содержание водорода в металле шва умень- шается, что существенно повышает качество сварного соединения. Lithium fluoride (grade IK, TU 6-09-170-77), falling into the reaction zone, decomposes into atomic lithium and fluorine. Lithium is an effective element that stabilizes the burning of an arc; fluorine combines with hydrogen to form hydrogen fluoride insoluble in metal. In this case, the hydrogen content in the weld metal decreases, which significantly improves the quality of the welded joint.

Введение фторида лития менее 2% отрицательно сказывается на качестве сварных швов. Так, например, ударная вязкость металла шва при (-40)^оС будет менее 30 Дж/см². Введение фторида лития в количестве, превышающем 4,5% , вызывает пористость.The introduction of lithium fluoride less than 2% adversely affects the quality of welds. For example, the toughness of the weld metal at (-40) ^{° C} is at least 30 J / cm ^2. The introduction of lithium fluoride in an amount exceeding 4.5% causes porosity.

Алюминий (марка АПВ, ТУ 48-5-152-78) снижает содержание кислорода в металле. Введение его в количестве, не превышающем 1,5% , не оказывает существенного влияния на механические свойства швов. Если ввести больше 2,5% в шихту порошковой проволоки, то алюминий, частично окисляясь в зоне дуги, увеличивает в наплавленном металле количество тугоплавкой окиси алюминия. Располагаясь по границам зерен феррита и являясь остроугольными включениями неправильной формы, окись алюминия оказывает действие на интерметал- лические прослойки, снижая пластические свойства швов. Aluminum (grade APV, TU 48-5-152-78) reduces the oxygen content in the metal. Its introduction in an amount not exceeding 1.5% does not significantly affect the mechanical properties of the joints. If more than 2.5% is introduced into the flux-cored wire charge, then aluminum, partially oxidized in the arc zone, increases the amount of refractory alumina in the deposited metal. Located along the boundaries of ferrite grains and being irregularly shaped acute-inclusions, aluminum oxide acts on intermetallic layers, reducing the plastic properties of the joints.

Силикокальций кроме шлакообразующих функций является одним из основных компонентов, связывающих кислород в атмосфере дуги. Заметное влияние наблюдается при введении его свыше 1,5% . Увели- чение содержания более 3,5% ухудшает формирование швов, что связано с изменением вязкости шлака. Применение окисида кадмия улучшает пассивационные характеристики, обуславливая возможность самопассивирования металла шва в условиях эксплуатации. С увеличением содержания кадмия в металле шва увеличивается коррозионная стойкость. In addition to slag-forming functions, silicocalcium is one of the main components that bind oxygen in an arc atmosphere. A noticeable effect is observed with its introduction of more than 1.5%. An increase in the content of more than 3.5% worsens the formation of welds, which is associated with a change in the viscosity of the slag. The use of cadmium oxide improves passivation characteristics, making it possible to self-passivate weld metal in operating conditions. With increasing cadmium content in the weld metal, corrosion resistance increases.

Попадая в дугу, оксид кадмия разлагается с выделением атома кадмия и кислорода. Последний в свою очередь взаимодействует с водородом парогазового пузыря. Кадмий, находясь в расплавленном металле сварочной ванны, оказывает легирующее и рафинирующее влияние, повышая механические свойства и коррозионную стойкость сварного соединения. Once in the arc, cadmium oxide decomposes with the release of the cadmium atom and oxygen. The latter in turn interacts with the hydrogen of the vapor-gas bubble. Cadmium, being in the molten metal of the weld pool, has an alloying and refining effect, increasing the mechanical properties and corrosion resistance of the welded joint.

Содержание оксида кадмия в указанных пределах 0,5-1,5 является оптимальным. Верхний предел 1,5 связан с технологическими ограничениями - появлением пор и других дефектов. Уменьшение содержания менее 0,5% не обеспечивает необходимой коррозионной стойкости сварного соединения. The content of cadmium oxide in the specified range of 0.5-1.5 is optimal. The upper limit of 1.5 is associated with technological limitations - the appearance of pores and other defects. A decrease in the content of less than 0.5% does not provide the necessary corrosion resistance of the welded joint.

Гематит (ТУ 14-9-289-84) и рутиловый концентрат (ГОСТ 22938-78) предназначены для создания шлаковой защиты. Введение их в рекомендуемых пределах способствует получению бездефектных швов. Hematite (TU 14-9-289-84) and rutile concentrate (GOST 22938-78) are designed to create slag protection. Their introduction within the recommended limits contributes to the production of defect-free seams.

Для проведения испытаний были изготовлены пять вариантов порошковой проволоки предлагаемого состава из стальной ленты 08кп размером 0,5х10 мм, диаметром 1,6 мм с различным весовым содержанием компонентов (см. таблицу). For testing, five variants of the flux-cored wire of the proposed composition were made from 08kp steel tape 0.5x10 mm in size, 1.6 mm in diameter with different weight contents of the components (see table).

Изготовленными электродными проволоками по указанным пяти составам и порошковой проволокой-прототипом с опти- мальными сварочно-технологическими свойствами были выполнены наплавки под водой в нижнем положении на стали 09Г2С постоянным током обратной полярности на режиме: I = 160 - 200 A; U_g = 28-30 B; V_св = 7 м/ч.Fabricated electrode wires according to the indicated five compositions and a flux-cored wire prototype with optimal welding and technological properties were used for surfacing in the lower position on 09G2S steel with direct current of reverse polarity in the mode: I = 160 - 200 A; U _g = 28-30 B; V _St. = 7 m / h.

В результате испытаний установлено, что хорошими сварочно-технологическими свойствами обладают электродные проволоки составов N 2, 3, 4. Наплавленный вышеуказанными порошковыми проволоками металл не имеет пор, шлаковых включений и других дефектов. При изучении макрошлифов, выполненных проволокой состава N 1, обнаружены подваликовые трещины, шлаковые включения. При сварке порошковой проволокой состава N 5 наблюдается повышенное разбрызгивание металла, дуга горит нестабильно, в металле шва имеются поры. As a result of tests, it was established that electrode wires of compositions N 2, 3, 4 have good welding and technological properties. The metal deposited with the above flux-cored wires has no pores, slag inclusions and other defects. When studying macro sections made by wire of composition No. 1, sub-roll cracks and slag inclusions were found. When welding with flux-cored wire of composition No. 5, increased spraying of the metal is observed, the arc burns unstably, there are pores in the weld metal.

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что предложенный состав обеспечивает более высокие показатели механических свойств наплавленного металла по сравнению с прототипом (см. табл. ). The test results indicate that the proposed composition provides higher mechanical properties of the weld metal compared to the prototype (see table).

Сварка проводилась полуавтоматом А1660 с использованием источника питания АСУМ-400 на глубине до 60 м. Welding was carried out by A1660 semiautomatic device using the ASUM-400 power source at a depth of up to 60 m.

Испытания на коррозионную стойкость образцов, вырезанных из стыковых соединений, выполненных под водой, производились в центрифуге в течение 3000 ч. При этом использовалась синтетическая морская вода с температурой 32-35^оС. Профилограммы испытанных образцов показали, что скорость коррозии сварного шва околошовной зоны и основного металла практически одинакова. Значения средней скорости коррозии в изобретении свидетельствуют о высокой коррозионной стойкости сварных швов и ЗТВ на стали 09Г2С. Этот показатель равен 0,098 мг/год, в способе-прототипе - 0,163 мм/год.The corrosion test specimens cut from the butt joints made under water, produced in a centrifuge for 3000 hours. The use of synthetic sea water with a temperature of 32-35 ^° C profilogram tested samples have shown that the rate of corrosion of the weld heat affected zone and base metal is almost the same. Values of the average corrosion rate in the invention indicate the high corrosion resistance of welds and HAZ on steel 09G2S. This indicator is equal to 0.098 mg / year, in the prototype method - 0.163 mm / year.

В настоящее время заявляемый объект прошел лабораторные испытания и опытно-промышленную проверку в натурных условиях. Разрабатываются технические условия на выпуск порошковой проволоки для подводной сварки низколегированных сталей. Currently, the inventive facility has undergone laboratory tests and a pilot industrial test in natural conditions. Specifications are being developed for the production of cored wire for underwater welding of low alloy steels.

Claims (1)

ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ, состоящая из стальной низкоуглеродистой оболочки и шихты, содержащей рутиловый концентрат, гематит, марганец, алюминий, никель, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит фторид лития, силикокальций, оксид кадмия, лопаритовый концентрат при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Рутиловый концентрат 35 - 40
Гематит 38 - 45
Марганец 6 - 8
Алюминий 1,5 - 2,5
Фторид лития 2 - 4,5
Силикокальций 1,5 - 3,5
Оксид кадмия 0,5 - 1,5
Лопаритовый концентрат 0,5 - 2
Никель 3 - 5
при этом коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 30 - 34% .POWDER WIRE FOR WELDING STEELS, consisting of a steel low-carbon shell and a mixture containing rutile concentrate, hematite, manganese, aluminum, nickel, characterized in that the mixture additionally contains lithium fluoride, silicocalcium, cadmium oxide, loparite concentrate in the following ratio of components. %:
Rutile concentrate 35 - 40
Hematite 38 - 45
Manganese 6 - 8
Aluminum 1.5 - 2.5
Lithium Fluoride 2 - 4.5
Silicocalcium 1.5 - 3.5
Cadmium oxide 0.5 - 1.5
Loparite concentrate 0.5 - 2
Nickel 3 - 5
the fill factor of the cored wire is 30 - 34%.

Images