Способ монтажной сварки изделий из чугуна с шаровидным графитом

Изобретение относится к сварке, а именно к дуговой сварке изделий из чугуна с шаровидным графитом. Перед сваркой на поверхность свариваемых кромок наплавляют промежуточный слой из железоникелевого сплава, содержащего С 1,6-2,0%, Ni 48,0-52,0%, Fe - ост. Наплавку проводят при скоростях охлаждения наплавленного слоя 15-20°С/с в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе с регулируемым расходом охлаждающей воды. После наплавки проводят механическую обработку с обеспечением толщины наплавленного слоя 5,0-7,0 мм. Это позволит получить равнопрочное сварное соединение. 6 табл.

 

Изобретение относится к сварке, в частности к дуговой сварке изделий из чугуна с шаровидным графитом, и может быть использовано в теплоэнергетике, нефтяной и газовой промышленности, строительстве. На кромке изделия (например, трубы) наплавляют слой разработанного нами железоникелевого сплава, установленной экспериментально толщины 5,0-7,0 мм после подготовки (токарная обработка) кромок под сварку. Основной технико-экономический критерий толщины наплавленного слоя - минимальный слой железоникелевого сплава, обеспечивающий высокую технологическую прочность сварного соединения. Наплавку проводят специальными железоникелевыми электродами или проволокой методом аргонодуговой наплавки с предварительным и сопутствующим подогревом (250-300°С) и последующей термообработкой (отжигом при температуре 750±20°С). Далее изделие передают на токарную обработку, где выполняют разделку кромок под сварку. Эта разделка установлена экспериментально: угол скоса 15° (30° суммарно), притупление - 1,5 мм, зазор - 1,5 мм - с позиций обеспечения бездефектного сварного соединения.

Монтажную сварку выполняют железоникелевыми электродами без подогрева и термообработки. При этом обеспечивается равнопрочность, равнопластичность и высокая коррозионная стойкость сварного соединения, низкая стоимость сварных соединений.

Известен [1] способ сварки изделий из чугуна с шаровидным графитом, который включает в себя нагрев изделия до 250-500°С и сварку в среде аргона неплавящимся электродом высоконикелевой присадкой. После сварки проводится сложный изотермический отжиг при температуре 950-970°С.

Недостатки этого способа:

- сложность обеспечения качественной защиты сварного шва при аргонодуговой монтажной сварке трубопроводов;

- сложность обеспечения и контроля качества подогрева и термообработки сварных соединений на монтаже;

- исключительно низкая производительность, сложность и, как следствие, дороговизна реализации этого способа сварки.

Известен также [2] способ сварки изделия из чугуна, согласно которому, с целью повышения сопротивляемости трещинам сварного соединения, введены ограничения на скорость подогрева под сварку и режимы сварки.

Структурная однородность сварного соединения достигается отжигом при температуре 800-850°С.

Недостатки этого способа:

- сложность обеспечения качественной защиты сварного шва при монтажной сварке трубопроводов в защитном газе;

- сложность обеспечения и контроля качества предварительного нагрева и термообработки сварных соединений на монтаже;

- исключительно низкая производительность, сложность и, как следствие, большая стоимость сварных швов, выполненных по этой технологии;

- несмотря на заявляемые специальные технологические приемы, высокая неоднородность химического состава и структуры сварного соединения.

Способ электродуговой сварки чугуна (SU 1181830 A, В 23 К 28/00), с целью повышения качества соединений путем предупреждения образования трещины, рекомендует предварительную наплавку кромок никельсодержащими сварочными материалами на участке шириной не менее двух и не более трех толщин свариваемого металла.

Идея электродуговой сварки чугуна с применением предварительной наплавки кромок никельсодержащим сварочным материалом, безусловно, продуктивна.

Но для превращения идеи в технологию и достижения эксплуатационной надежности сварного соединения необходимо:

- с целью уменьшения зоны переменного состава и увеличения пластичности сварного соединения, экспериментально определить содержание Ni и С в наплавленном металле,

- для обеспечения равнопрочного и равнопластичного сварного соединения, оптимизировать количество наплавленных слоев и толщину наплавленного слоя после механической обработки,

- для уменьшения зоны отбела чугуна оптимизировать скорость охлаждения наплавленного металла,

- для исключения трещин в сварном шве и околошовной зоне разработать режим отжига наплавленных кромок.

Этот способ (а.с. №1181830 А) выбран нами в качестве прототипа.

Цель изобретения - устранение недостатков этого способа сварки путем оптимизации технологических режимов наплавки.

Изобретение относится к сварке, в частности к электродуговой наплавке штучными электродами, и может найти применение при строительстве трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности, в теплоэнергетике.

Как показали наши многолетние исследования, требуемый уровень пластичности сварных соединений ВЧШГ достигается только при содержании никеля в первом слое наплавленного металла >35 вес.%.

В мировой практике, и в частности в ГОСТе 2246-70 «Проволока стальная сварочная», применяется только одна марка высоконикелевой проволоки, нелегированная хромом - Св-08Н50 и ее функциональные аналоги в иностранных стандартах.

Применение для наплавки на высокопрочный чугун хромсодержащих сварочных материалов (как, например, в патенте-прототипе - ОЗЛ-7 (08Х20Н9Г2Б) приводит к резкому снижению пластичности сварного соединения из-за образования в зоне сплавления хрупких карбидов хрома типа Cr₇С₃ и Cr₂₃С₆.

Поэтому разработку электродов и железоникелевого сплава для аргонодуговой наплавки базировали на сварочной проволоке Св-08Н50 (ГОСТ 2246-70).

Предлагаемый способ монтажной сварки реализуют следующим образом.

1. Наплавляют РДС или АРДС торцы свариваемых труб.

1.1. Подогревают до 250-300°С. Проверяют температуру подогрева термокарандашом или пирометром.

1.2. Наплавляют в три слоя толщиной 7,0-9,0 мм. Электроды на базе проволоки типа 08Н50 на основе расчетов и экспериментов увеличено содержание С в наплавленном металле.

Сварочный ток 180±20 А. Послойное охлаждение. Кромки не перегревать выше 300-350°С. Наплавку проводить в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе.

1.3. Замедленно охлаждают.

1.4. Отжигают в проходной печи по разработанному режиму.

1.5. Механически обрабатывают кромки под сварку с обеспечением толщины наплавленного слоя 5,0-7,0 мм.

2. Монтажная сварка электродами на базе проволоки типа 08Н50 с обеспечением за счет расчетной композиции электродного покрытия разработанного состава сварного шва. Сварочный ток 190±20 А.

Сварку выполняют без подогрева и термообработки.

Механические свойства сварных соединений (опытно-промышленная апробация) приведены в таблице №1.

Таблица №1 Механические свойства сварных соединений, выполненных по заявляемой технологии
σвр, кгс/мм2	δ, %	α, °	ан, кгсм/см2
44,0	7,0	60	2,8
43,8	5,7	53	2,6
43,7	6,7	48	3,1

Следует отметить, что пластичность сварных соединений, выполненных электродами на сварочной проволоке 08Н50, существенно выше показателей высоконикелевой проволоки ПАНЧ-11 [1-2]. В частности, угол загиба сварного соединения при сварке ПАНЧ-11 не превышает 20°.

Участок наплавки и механической обработки торцов труб органично вписан в технологическую схему труболитейного цеха между операциями центробежного литья труб и проходной печью отжига, где термообработку проходят трубы с наплавленными и проточенными под монтажную сварку кромками.

Состав сплава для наплавки определен экспериментально исходя из обеспечения равнопрочности и высокой пластичности сварного соединения.

Основываясь на большом личном опыте разработки материалов для сварки чугуна [4-6], в качестве базового сплава приняли 50Ni - 50Fe (например, сварочная проволока 08Н50, ГОСТ 2246-70).

Оптимальное содержание углерода в сплаве установили экспериментально на основе зависимости: содержание углерода в сплаве - протяженность зоны отбела сварного соединения труб из ВЧШГ.

Содержание углерода в наплавленном металле варьировали в диапазоне 0,5-2,5% за счет изменения содержания графита в электродном покрытии основного типа.

Исходили из концепции, что содержание углерода в сварочной проволоке и чугуне должно быть одного порядка.

Минимальную зону отбела наблюдали при содержании углерода в наплавляемом металле электрода 1,6-2,0 вес.% (среднее значение - 1,8 вес.% С) - таблица №2.

Таблица №2. Влияние содержания углерода на протяженность зоны отбела сварного соединения труб из ВЧШГ.
Содержание С в наплавляемом металле, вес.%	0,8	1,2	1,6	2,0	2,4
Протяженность зоны отбела, мкм	500	300	50	50	100

Уменьшение зоны отбела увеличивает пластичность сварного соединения (таблица №3).

Таблица №3. Влияние содержания углерода в наплавляемом металле электрода на угол загиба сварного соединения.
Содержание С в наплавляемом металле, вес.%	0,8	1,2	1,6	2,0	2,4
Угол загиба при статическом изгибе, °	20	30	90	90	60

Таким образом, экспериментально установлено оптимальное содержание углерода в наплавленном металле типа 50Ni - 50Fe. На этой основе разработан состав электродного покрытия электродов и сплав, полученный металлургическим переделом в виде сварочной проволоки.

Далее экспериментально определили требуемое из условий обеспечения эксплуатационной прочности сварных соединений минимальное количество наплавленных слоев и толщину наплавленного слоя после механической обработки.

Наплавку кромок труб проводили с применением водоохлаждаемого медного кристаллизатора. Количество наплавленных слоев варьировали от 2 до 4, при этом общая толщина наплавленных слоев составляла 7,0-9,0 мм.

Наплавленные кромки протачивали под V-образную разделку (толщина 5,0-7,0 мм) и сваривали разработанными электродами.

Минимальное количество слоев - 3 и толщина наплавленного слоя - 5,0-7,0 мм после механической обработки обеспечивают высокую эксплуатационную прочность сварных соединений труб из ВЧШГ - таблица №4.

Таблица №4. Влияние количества слоев и толщины наплавленного слоя на эксплуатационную прочность сварных соединений.
Количество наплавленных слоев	2	3	4
Толщина наплавленного слоя после подготовки (токарная обработка) кромок	3	5	7
Предел прочности, кгс/мм2	17,2	45,6	47,2
Относительное удлинение, %	6,7	12,1	13,2
Угол загиба при статическом изгибе, градусов	9	57	60

Штатная технология производства центробежнолитых труб предусматривает отжиг в проходной печи при температуре 930±20°С.

Нами разработан режим отжига центробежнолитых труб из ВЧШГ с наплавленными кромками при температуре 750±20°С в течение 30 минут. Этот режим обеспечивает равнопрочность и высокую пластичность труб и сварного соединения, существенно снижает их термические деформации и стоимость - таблица №5.

Таблица №5. Влияние температуры отжига на механические характеристики и термические деформации сварных соединений
Температура отжига, °С	650	700	750	800	930
Предел прочности, кгс/мм2	41,2	44,4	47,6	41,2	43,5
Относительное удлинение, %	4,8	6,7	7,7	4,6	3,2
Угол загиба, градус	31	38	59	48	41
Термическая деформация сварных соединений, мм от продольной оси	4	4	5	11	18

С целью оптимизации скорости охлаждения наплавленного металла и обеспечения направленной его кристаллизации при охлаждении, предложен и реализован способ наплавки с применением водоохлаждаемого медного кристаллизатора.

Отличительный признак этого способа обеспечение расчетных скоростей охлаждения наплавленного соединения и, как следствие, эксплуатационной прочности сварных соединений из ВЧШГ.

Скорость охлаждения железоникелевого наплавленного металла сварного соединения регулируют расходом охлаждающей кристаллизатор воды.

Кристаллизатор обеспечивает более благоприятную с позиций отсутствия дефектов и высокой эксплуатационной прочности структуру и свойства наплавленного металла и сварного соединения - таблица №6.

Таблица №6
Скорость охлаждения наплавленного металла, °С/сек	10	15	20	25
Угол загиба сварного соединения, градус	34	57	60	28
Предел прочности, кгс/мм2	41,3	48,2	49,1	36,6

Использованная литература

1. Патент РФ №2064383.

2. Патент РФ №2177861.

3. Авторское свидетельство СССР №1181830 - прототип.

4. Авторское свидетельство СССР №833407.

5. Авторское свидетельство СССР №1050837.

6. Авторское свидетельство СССР №1074691.

Способ монтажной сварки изделий из чугуна с шаровидным графитом, при котором перед сваркой на поверхность кромок наплавляют промежуточный слой из железоникелевого сплава, отличающийся тем, что наплавку проводят при скоростях охлаждения наплавленного слоя 15-20°С/с в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе с регулируемым расходом охлаждающей воды, в качестве железоникелевого сплава применяют сплав, содержащий С 1,6-2,0%, Ni 48,0-52,0%, Fe - остальное, а после наплавки проводят механическую обработку с обеспечением толщины наплавленного слоя 5,0-7,0 мм.