Зварювальний електрод

Предлагаемое изобретение относится к области сварочных материалов и предназначено для сварки легированных высокопрочных сталей повышенной хладостойкости с пределом прочности 850... 1000 МПа. Известные стали этой группы марок 14ХГН2МДАФБ, 12ГНЗМФАЮДРСШ, 12ХГНЗМФД-СШ имеют высокие показатели хладостойкости (КСV-40>40 Дж/см , КСV-70227 Дж/см2). При их сварке низколегированными сварочными материалами должна обеспечиваться равноценность механических свойств сварных соединений ос-новному металлу. Однако в силу необходимости применения в ряде случаев послесварочной термической обработки (высокий отпуск) конструкции для снятия остаточных сварочных напряжений одновременное обеспечение равнопрочности и высокой хладостойкости металла шва затруднено. Это связано как с разупрочнением шва в результате высокого отпуска так и главным образом со снижением ударной вязкости, особенно при низких температурах испытания, из-за проявления необратимой отпускной хрупкости в металле швов при их термообработке по режиму свариваемой стали. Известны электроды [Авт.св. СССР № 316555, № 450675, № 685464, № 822456, № 927463 и др.], обеспечивающие требуемую технологическую прочность сварных соединений при сварке сталей с пределом прочности 600...800 МПа. Однако эти электроды непригодны для сварки сталей с пределом прочности более 850 МПа, так как не обеспечивает равнопрочности наплавленного металла шва основному металлу, особенно после высокого отпуска. Известны также отечественные электроды для сварки сталей с S850 МПа марок ВСФ-85, НИАТ-ЗМ, типа Э-85 по ГОСТ 9466-75 [Сварочные материалы стран-членов СЭВ. Каталог. Под ред. И.К. Походни. - М.-К., 1981, с. 511]. Недостатком этих электродов является весьма низкая хладостойкость металла швов (аи.7045= 7¸2 Дж/см2) даже в нетермообра-ботанном состоянии. Известны также электроды для сварки термоупрочненных сталей [Авт.св. СССР № 535147 - прототип] состоящие из малоуглеродистого сердечника и покрытия, содержащего в своем составе компоненты в следующем соотношении, мас.%: Наплавленный металл шва выполненный этими электродами обеспечивает требуемый комплекс механических свойств при сварке сталей с пределом прочности 700-850 МПа, не подвергаемых послесварочно-му высокому отпуску. Однако для сварки сталей с пределом прочности более 850 МПа указанные электроды не пригодны, т.к. не обеспечивают заданной (ан_7о45³27 Дж/см2) хладостойкое шва, особенно после его высокотемпературной послесварочной обработки. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования сварочного электрода, который бы позволил за счет повышения хладостойкости высокопрочного наплавленного металла шва sB =850... 1000 МПа как в состоянии после сварки, так и после высокого отпуска посредством применения в таких электродах низколегированного малоуглеродистого сердечника с суммарным содержанием легирующих элементов не более 8,6% и ингридиентно связанного с ним легирующего покрытия путем выбора соотношения между ферромарганцем, никелем в покрытии и составом сердечника использовать эти электроды при изготовлении ответственных тяжелонагруженных конструкций, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур (до минус 70°С). Поставленная задача решается тем, что в сварочном электроде состоящем из покрытия, содержащего мрамор, плавиково-шпатовый концентрат, никель, молибден, хром, алюминиево-магниевый порошок и пластификатор, в качестве сердечника применяется низколегированная малоуглеродистая проволока с суммарным содержанием легирующих элементов не более 8,6%, а покрытие дополнительно содержит кварцевый песок и гематит при следующем соотношении входящих в него компонентов, мас.%: причем соотношение ферромарганца и никеля в покрытии ингридиентно связано с составом сердечника параметром "А". " A" = 0,3(FeMn )покр + (Mn ) пров - 0,5 cp 0,3(Ni ) покр + (Ni )пров cp где (FeMn)noKp-, (Ni)noкp- - соответственно содержание компонентов в покрытии, мас.%; (Мn)ср пров, (NI)cpnp0B - среднее содержание элементов в электродном сердечнике, мас.%, который составляет 2,4...4,0 для термообработанных и 0,3.,.0,7 для нетермо-обработанных швов. В этом случае дополнительное оведение гематита и кварцевого песка определяет новизну заявляемого электрода в сравнении с прототипом, однако это не является существенным отличием, поскольку их назначение и применение хорошо известно. Известно, что с повышением уровня легированности металла шва, а следовательно, и с повышением прочностных свойств, имеет место соответствующее снижение его вязкости и хладостойкости. При этом степень снижения вязкости отпущенногометалла шва значительно превосходит соответствующий показатель для нетермо-обработанного многослойного шва. Эффективность известного способа повышения хладостойкости C-Si-Mn металла шва путем его дополнительного легирования никелем существенно ограничивается при комплексном многокомпонентном легировании и дает, в большинстве случаев, прямо противоположный результат при использовании послесварочной высокотемпературной обработки (отпуск) сварных соединений. При этом авторами было установлено, что в зависимости от наличия (или отсутствия) послесварочной термообработки наилучший комплекс механических свойств и хладостойкости высокопрочного C-Mn-Cr-Ni-Mo металла шва достигается при различном соотношении в его составе марганца и никеля, которые могут содержаться в составе электрода как в электродном стержне, так и в покрытии. Исследованиями установлено, что в рассматриваемой композиции металла шва, не подвергаемого послесварочной термообработке, повышение его вязкости и хладостойкости при увеличении содержания никеля имеет место лишь при одновременном соответствующем снижении в нем марганца. В то же время для термообработанных швов эти закономерности носят прямо противоположный характер: для повышения хладостойкости необходимо снижать содержание никеля при одновременном увеличении марганца. Применительно к рассматриваемой композиции металла шва (C-Mn-Cr-NI-Mo) наилучшими показателями хладостойкости обладают швы, выполненные заявляемыми электродами, у которых Мn и Ni - содержащие ингредиенты взяты в строго определенном соотношении " A" = 0,3(FeMn )покр + (Mn ) пров - 0,5 cp 0,3(Ni ) покр + (Ni )пров cp где (FeMn)n0Kp, (NI)Cp.noKp - соответственно содержание компонентов в покрытии, мас.%; [Мп]ср.пров, [Ni]cp.np0B- - среднее содержание элементов в электродном сердечнике, мас.%. При этом для нетермообрабатываемых швов это соотношение должно находиться в пределах 0,3-10,7, а для швов подвергаемых высокотемпературному послесварочному отпуску это соотношение должно составлять 2,4+4,0. Указанное соотношение и установленные его пределы являются существенным отличием заявляемого электрода, поскольку именно в этих диапазонах наблюдается максимальная хладостойкость высокопрочного металла шва для принципиально различных технологических процессов изготовления сварных конструкций. Это подтверждается результатами испытаний опытных электродов, изготовленных в условиях экспериментального производства ИЭС им. Е.О. Патона при использовании в качестве электродных стержней проволок различного уровня легирования (табл. 1). Оценку механических свойств металла швов производили как в нетермообработан-ном состоянии (значения над чертой), так и после высокого отпуска (режим отпуска: Т=620°С, t=2 часа) (значения под чертой). При этом ударную вязкость оценивали при испытании образцов с острым надрезом по Шарли при низких климатических температурах. Из табл. 2 видно, что швы т.н. "никелевой" композиции 11-14 ("А"=0,3¸0,7) обладают высокой хладостойкостью в нетермообработанном состоянии, в то время как высокий отпуск приводит к резкому снижению их показателей вязкости при отрицательных температурах. В то же время швы "марганцевой" композиции (варианты 2-8) ("А"=2,4¸4,0) наоборот характеризуются значительно меньшим падением хладостойкости в результате послесварочного высокого отпуска и отличаются более высоким уровнем вязкости в отпущенном состоянии. При этом следует отметить, что для металла шва эквивалентного уровня прочности, выполненного электродом-прототипом падение вязкости в результате отпуска более существенно, да и в нетермообработан-ном состоянии такой шов не удовлетворяет требованиям, предъявляемым при сварке рассматриваемого класса сталей (aH4go³27Дж/см2 при Т=-70°С) (см. табл. 2). Выход ингредиентов за предельные рамки заявляемого решения, а также за границы установленного соотношения "А" приводит к существенному уменьшению показателей хладостойкости (варианты 1,9, 15), либо к снижению прочностных свойств металла шва ниже 850 МПа (вариант 10). Из таблиц также видно, что использование в качестве электродных стержней проволок с суммарным содержанием легирующих более 8,6% в сочетании с заявляемым покрытием приводит к чрезмерному перелегированию металла шва. В этом случае его прочностные характеристики значительно превышают требуемый уровень ( s02>1000МПа) при существенном снижении его пластических и вязких свойств (вариант 17). На основании вышеизложенного можно заключить, что заявляемый электрод превосходит существующие аналоги по показателям хладостойкости наплавленного металла шва, что обусловлено правильно установленным соотношением между легирующими компонентами (Мn и Ni), входящими в покрытие и стержень в зависимости от наличия (или отсутствия) послесварочной термообработки сварных соединений высокопрочных легированных сталей повышенной хладостойкости и соответствует критерию "существенные отличия". Применение заявляемых электродов в производстве тяжелонагруженных машин и механизмов позволит повысить качество сварных соединений и эксплуатационную надежность конструкций работающих при низких климатических температурах.