Перспективы применения и разработки сварочных материалов для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года

Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия

Перспективы применения и разработки сварочных материалов для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях

Гаврилов Сергей Николаевич

к.т.н.

Хицов Олег Владимирович

Ниров Аслан Дантесович

к.т.н.

Пломодьяло Роман Леонидович

к.т.н.

 В настоящее время в развитых странах мирового сообщества широкое распространение получили нержавеющие хромоникелевые стали, применяемые, в основном, при изготовлении объектов химического машиностроения, судовых конструкций, при сооружении газонефтепроводов, обсадных труб, глубоководных платформ, сейсмостойких высотных мачтовых конструкций, а также объектов атомной промышленности.

Столь широкое применение данных сталей (стали типа 18-10) объясняется наличием у последних требуемых специальных свойств: стойкости против атмосферной, жидкостной и газовой коррозии, жаропрочности, а также высоких и стабильных прочностных и пластических свойств в широком диапазоне температур.

При производстве конструкций из жаропрочных и кислостойких аустенитных хромоникелевых сталей (08Х18Н10Т, 10Х18Н10Т, 12Х18Н10Т и т.п.) основным видом сварки является дуговая сварка плавлением. При сварке нержавеющих сталей применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами, механизированную и автоматизированную сварку проволоками сплошного сечения в среде защитных газов (Ar, CO₂, Ar + CO₂), порошковыми проволоками в среде защитных газов, а также самозащитными порошковыми проволоками.

Для сварки аустенитных хромоникелевых сталей и их сплавов покрытыми электродами применяют следующие отечественные марки электродов: ЦЛ-11, ЦТ-15, ОЗЛ-7, ОЗЛ-8, Л-40М, ЗИО-3, ЦТ-15-1, НБ-38, ОЗЛ-36 и т.д., имеющие преимущественно основной, а также рутиловый вид покрытия, классификационный тип Э-08Х19Н10Г2Б, Э-07Х20Н9 ГОСТ 10052-75 и т.п. Также широко применяют электроды зарубежного производства. Так, например, фирма ESAB выпускает широкую номенклатуру электродов для сварки нержавеющих и жаростойких сталей. Электроды данной фирмы марок ОК61.25, ОК61.30, ОК61.35, ОК61.81, ОК61.85, ОК63.34 соответствуют вышеперечисленным отечественным аналогам и имеют рутиловый и основной вид покрытия, классификационный тип Э-07Х20Н9 ГОСТ 10052-75 и т.п. Вышеперечисленные электроды как отечественного, так и зарубежного производства обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, наплавляемый ими металл шва отличается устойчивостью против горячих трещин и пор, обеспечивают стойкость сварного шва против межкристаллитной коррозии, жаростойкость. Применение некоторых марок электродов обеспечивает получение стабилизированных сварных швов за счет легирования электродов титаном и ниобием.

В настоящее время в развитых странах производство сварочных материалов для сварки аустенитных хромоникелевых сталей продолжает совершенствоваться путем изменения структуры производства, модернизации и оснащения современным оборудованием производственных мощностей, увеличением доли высокотехнологичных сварочных материалов. Повсеместно наблюдается снижение объемов производства покрытых электродов. Это является следствием заметного снижения применения ручной сварки электродами и увеличения доли механизированной и автоматизированной сварки порошковой проволокой, а также проволокой сплошного сечения; при этом достигается наибольший экономический эффект, высокие качество и производительность труда сварщика [1].

По статистическим данным о структуре мирового рынка сварочных материалов можно судить о тенденции развития производства сварочных материалов в сторону преобладания материалов для механизированной и автоматизированной сварки [2].

При замене электродов порошковой проволокой, а тем более самозащитной порошковой проволокой на монтаже объектов химического машиностроения, нефтегазопроводных и обсадных труб из нержавеющей хромоникелевой стали эффективность обеспечивается за счет экономии дорогостоящих легирующих металлов - хрома и никеля, так как при ручной сварке их потери составляют 60-65%, а при сварке порошковыми проволоками 15-20% (коэффициенты перехода данных элементов зависят от металлургических условий сварки и могут быть найдены экспериментально).

На данный момент созданы новые марки порошковых проволок, расширены области их применения, совершенствуется оборудование и технология производства. Например, фирмы «Lincoln Electric», «Hobart», «ESAB», «S.A.F.-Oerlicon», «Thyssen-Bхhler», «Kobelko», «Elga» и др. производят и рекламируют десятки марок порошковых проволок для сварки в СО₂, в смеси газов (Ar + СО₂), под флюсом, а также самозащитные. Эти проволоки могут быть использованы как для сварки малоуглеродистых, низколегированных, теплоустойчивых, высокопрочных, жаропрочных, так и нержавеющих сталей в судостроении, машиностроении, энергетике, горнодобывающей промышленности, строительстве и других отраслях [3]. Новые порошковые проволоки отличаются хорошей формой швов, малым количеством брызг и аэрозолей. Появилось много марок проволок с металлическим сердечником (металлкор), а также рутиловым для сварки нержавеющих сталей.

Используются две технологии изготовления проволок - из ленты и сварной трубки, причем наиболее распространена первая. Широко применяется проволока диаметром 1,2 мм. Лидерами по производству порошковых проволок для сварки нержавеющих и высоколегированных хромоникелевых сталей в настоящее время являются фирмы «Kobelсo», «Bхhler». Однако, самозащитные проволоки для этих целей отсутствуют.

Механизированная сварка в среде защитных газов изделий из жаропрочных и кислотостойких сталей открытой дугой в условиях монтажа на открытых площадках требует защиты сварочной ванны от ветра и от атмосферных осадков, что в значительной степени затрудняет процесс сварочных работ.

Существующие в мире порошковые проволоки позволяют осуществлять сварку аустенитных хромоникелевых сталей с применением защитных газов (порошковые проволоки марок ОК Tubrod 14.20, ОК Tubrod 14.30, ОК Tubrod 14.34 концерна «ESAB» и др.), это требует использования газовых баллонов с СО₂, Ar, а также смесями этих газов, что нежелательно в монтажных условиях. Таким образом, несмотря на то, что данные порошковые проволоки обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, наплавляемый металл сварного шва отличается устойчивостью против горячих трещин и пор, обеспечивают стойкость шва против межкристаллитной коррозии, жаростойкость, однако, этого недостаточно в монтажных условиях.

Повышение уровня механизации сварочных работ при сооружении в монтажных условиях емкостей, бойлеров и трубопроводов из аустенитных хромоникелевых сталей возможно при разработке специальной самозащитной порошковой проволоки, обеспечивающей высокие эксплуатационные свойства сварных соединений объектов, длительно работающих с агрессивными компонентами. Для обеспечения требуемого уровня механических характеристик металла шва при сварке этих сталей самозащитная порошковая проволока должна обеспечить состав металла шва и газообразующий состав шихты заполнителя аналогичный электродам типа Э-08Х19Н10Г2Б (марок ЦЛ-11, ЦТ-15 и т.п.), а по производительности соответствовать сварке в среде защитных газов. Таким образом, применение самозащитной порошковой проволоки должно обеспечивать снижение трудоемкости сварочных работ, повышение производительности и качества сварки.

Использование самозащитной порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей, изготовленной из стальной ленты марки Св 08кп, приводит к неоднородности металла шва, в первую очередь это относится к основным легирующим компонентам - хрому и никелю.

Предварительные испытания показали, что можно избежать столь существенного выгорания данных компонентов и их неравномерного распределения путем легирования шва хромом и никелем через оболочку, изготавливаемую из аустенитных хромоникелевых сталей марок 08Х18Н10Т и т.п., то есть соответствующую свариваемой стали по составу и свойствам. Состав шихты сердечника будет состоять в основном из газо- и шлакообразующих компонентов.

В настоящее время существуют аналогичные зарубежные порошковые проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в среде защитных газов, имеющие оболочку (трубку) из коррозионностойкой стали, порошковые проволоки серии DW с трубкой из нержавеющей стали, очевидна потребность в разработке в отечественной самозащитной порошковой проволоки данного назначения.

Эффективность защиты расплавленного металла и технологические показатели сварки порошковой проволокой определяются одновременностью плавления металлической оболочки и порошкового сердечника. Для выравнивания плавления используют конструкции проволок, в которых часть металлической ленты располагается в полости, образованной оболочкой проволоки [4]. Сложность конструкции оболочки характеризуется коэффициентом формы - К_ф, который выбирается опытным путем. Следовательно, повышение производительности и качества сварки можно осуществлять путем варьирования К_ф от 0 (трубчатая оболочка) до 1,3 (двухслойная оболочка). Порошковая проволока наиболее распространенных конструкций представлена на рисунке 1. При повышении коэффициента формы (К_ф) - обеспечивается более эффективная защита металла шва от азота [4].

Кроме того, использование проволоки с повышенным коэффициентом формы (К_ф) позволяет увеличить долю неметаллической части сердечника (без ухудшения показателей одновременного плавления сердечника и оболочки), получить более низкое содержание азота в наплавленном металле и повысить производительность сварки.

Обобщенным показателем эффективности использования проволоки может служить выход наплавленного металла, определяемого как отношение его массы (за вычетом потерь на разбрызгивание) к массе расплавленной проволоки.

Рисунок 1. Порошковые проволоки наиболее распространенных конструкций, характеризующиеся различными коэффициентами формы: а-0; б-0.31; в-0.57; г-0.73; д-1.3

Применение самозащитной порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей позволит значительно повысить скорость, обеспечить легкость сварки во всех пространственных положениях, снизить трудоемкость сварочных работ, повысить их производительность и качество. В качестве обобщенного показателя технологической надежности изготовления проволоки принята относительная себестоимость ее изготовления. Причем, выход наплавленного металла возрастает с увеличением К_ф, т.е. можно предположить, что максимальная выгода ожидается от применения порошковой проволоки с двухслойной оболочкой.

В завершение теоретических исследований произведен примерный расчет разницы фактической себестоимости изготовления самозащитной порошковой проволоки с трубкой из нержавеющей стали по сравнению с электродами ЦЛ-11 аналогичного назначения (таблица 1), где К_п, К_з - коэффициент покрытия электродов и коэффициент заполнения порошковой проволоки соответственно.

Таблица 1. Сравнение фактической калькуляции себестоимости изготовления 1 т порошковой проволоки ПП-НЖ-1 и электродов ЦЛ - 11 К_З = 30 К_П = 30

Так как коэффициент расхода электродов ЦЛ-11: = 1,67, то стоимость 1 кг наплавленного металла при сварке электродами ЦЛ-11, согласно таблице 1:

S_Э = 167,607 · 1,67 = 279,9 руб./кг.

Имея для порошковой проволоки коэффициент расхода: = 1,15, стоимость 1 кг наплавленного металла при сварке порошковой проволокой ПП-НЖ-1 составит согласно таблице 1:

S_п/п = 189,806 · 1,15 = 218,3 руб./кг.

Доход от применения проволоки ПП-НЖ-1 составит:

Д = S_Э - S_п/п = 279,9 - 218,3 = 61,6 руб./кг.

Таким образом, ожидаемый доход при изготовлении и применении ПП-НЖ-1 составит около 20 % от стоимости 1 кг наплавленного металла в сравнении с электродами марки ЦЛ-11. При этом, производительность труда сварщика увеличивается в 2-2,5 раза.

Произведен обзор существующих сварочных материалов для сварки аустенитных хромоникелевых сталей. Самозащитные порошковые проволоки наряду с широкими технологическими возможностями при сварке аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях, имеют более высокую производительность и экономические показатели, по сравнению с покрытыми электродами.

Установленные практикой преимущества порошковых проволок [1, 4, 5] ставят их в ряд более перспективных сварочных материалов, чем проволоки сплошного сечения для полуавтоматической и автоматической сварки плавлением, а их усовершенствование, разработку и внедрение в число актуальных задач, требующих соответствующих теоретических и экспериментальных исследований.

В соответствии с вышесказанным, в настоящее время, в результате проведенных теоретических [6-8] и экспериментальных исследований [9, 10] разработана и внедрена в производство отечественная самозащитная порошковая проволока с оболочкой из нержавеющей стали для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях.

Список литературы

сварка аустенитный хромоникелевый сталь

1. Мойсов Л.П. Порошковая проволока - сварочный материал XXI века. // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2002. № 9. С 7-10.

2. Кусков Ю.В., Полищук Г.Н. Эволюция производства сварочных материалов и перспективы нового тысячелетия. // II Международная конференция по сварочным материалам стран СНГ. Сборник докладов. Орел, 4-8 июля 2001г. С 97-98.

3. Походня И.К. Металлургия сварки, состояние и проблемы // Сборник трудов Международной конференции «Сварка и родственные технологии - в XXI век»; ИЭС им. Е.О. Патона. Киев, 1998. С. 227-245.

4. Походня И.К., Альтер В.Ф., Шлепаков В.Н., Рак П.И. Показатели изготовления и использования порошковых проволок различной конструкции. // Сварочное производство. 1985. № 8. С 33-34.

5. Кусков Ю.В., Полищук Г.Н. Эволюция производства сварочных материалов и перспективы нового тысячелетия. // II Международная конференция по сварочным материалам стран СНГ. Сборник докладов. Орел, 4-8 июля 2001г. С 97-98.

6. Гаврилов С.Н., Мойсов Л.П., Поправка Д.Л. Регулирование парогазовой защиты при сварке порошковой проволокой. «Монтажные и специальные работы в строительстве». № 6, 2005 г., С. 8-11.

7. Гаврилов С.Н. Экономическая целесообразность замены электродов ЦЛ-11 самозащитной порошковой проволокой для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях. «Сварщик профессионал», №5, 2003 г. С. 23.

8. Бурылев Б.П., Мойсов Л.П., Гаврилов С.Н., Крицкий В.Е.. Расчет растворимости азота в системах на основе сплавов железо-хром-никель. «Сварочное производство», № 12, 2004г., С. 9-11, 62, 63

9. Патент на изобретение RU № 2281843. Самозащитная порошковая проволока для сварки аустенитных хромоникелевых сталей/ Гаврилов С.Н., Поправка Д.Л., Очагов В.Н. - 20.08.2006 г.

10. Гаврилов С.Н. Разработка самозащитной порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.03.06 Краснодар, 2007. 217 с.

Размещено на Allbest.ru