CC BY
192
УДК 621.791.75.04
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОДНОСТОРОННЕЙ СВАРКИ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ СТАЛИ АУСТЕНИТНО-ФЕРРИТНОГО КЛАССА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КЕРАМИЧЕСКОГО
ФЛЮСА ФКБ-4
Для хранения отработанного ядерного топлива необходимы емкости специальной конструкции, изготовленные из сталей аустенитно-ферритного класса. Емкости должны быть специальной конструкции из сталей с содержанием бора не менее 1%.
Сварка стыкового соединения такого сборника является весьма трудной задачей в связи с наличием ряда проблем:
- проблема сохранения химического состава шва при сварке под флюсом;
- проблема выбора марки флюса с необходимыми сварочно-технологическими свойствами;
- проблема выбора технологии сварки, обеспечивающей двустороннее формирование шва.
В результате проведенных исследований разработаны специализированные марки стали, флюса и, формирующей обратную сторону шва, подкладной ленты.
Создана опытная технология односторонней сварки под флюсом корпуса сборника.
Ключевые слова:ядерная энергетика, сварка сталей, формирование шва, флюсы, гибкие ленты.
Capacities of the special design made of austenit-ferritic kind of steels are necessary for storage of the wasted nuclear fuel. Capacities must have a special design made of steel with the maintenance of boron not less than 1 %.
Welding of a butt bead of such capacity is a rather difficult problem in connection with presence of some problems:
- a problem of maintenance of a chemical compound of a welded bead when welding under a flux;
- a problem of a choice of mark of a flux with necessary welding-technological properties;
- a problem of a choice of technology of the welding providing bilateral formation of a
weld.
As a result of the researches the specialized marks of steel, flux and supporting strip forming the back side of the weld are developed. The skilled technology of unilateral welding under the flux of the case of capacity is created.
Keywords: nuclear energy, steel welding, formation of welds, fluxes, flexible strips.
Волобуев Ю.С., Доронин А.Ю., Доронин Ю.В.
НПО «Цниитмаш», ООО «ЭКСПЕРТЦЕНТР»
Scientific production association «Cniitmash», Joint Stock Company «Expertcentre»
Введение
Одним из способов обеспечения ядерной безопасности хранилища отработанного ядерного топлива является размещение сборок тепловыделяющих элементов в чехлах, обладающих способностью поглощать тепловые нейтроны. Такой чехол представляет собой шестигранную трубу с толщиной стенки 6,0 мм, размером под ключ 257 мм, длиной до 4500 мм.
Для изготовления чехлов - эффективных нейтронных поглотителей требуются технологичные конструкционные материалы, содержащие в достаточном количестве элементы с большим сечением захвата нейтронов. К такого рода материалам относится бористая коррозионностойкая сталь (ЧС-82Ш) с содержанием бора 1,3-1,8%, разработанная ОАО НПО ЦНИИТМАШ и широко применяемая в настоящее время в отечественной ядерной энергетике.
Деформационные технологии, используемые в настоящее время при изготовлении данного вида продукции, имеют ряд существенных недостатков, к числу которых можно отнести в первую очередь сложность и трудоемкость получения передельной трубы с заданными геометрическими размерами, необходимость механической обработки с высоким уровнем точности, а также жесткие требования при последующем профилировании.
Целью настоящей работы является изучение возможности изготовления шестигранных труб из стали марки ЧС-82Ш, обеспечивающей содержание бора в металле сварного шва на уровне не менее 1,0 %, с применением автоматической сварки под флюсом, что в значительной мере упрощает процесс их производства. [ 1]
1. Подбор параметров режима сварки с использованием сварочных проволок марок ЭП792-ВИ и св-03Х19Н60М15. Оптимизация системы легирования керамического флюса.
Для оптимизации технологии однопроходной сварки стали марки с содержанием хрома не менее 14% и бора не менее 1% на базе опытного флюса ФКБ-1, обеспечившего максимальное содержание бора в сварном шве, с целью улучшения сварочно-технологических свойств флюса (отделимость шлаковой корки, формирование наплавленного валика и обратной стороны сварного шва, снижения количества дефектов в металле сварного шва и т.д.), [2] а также для получения стабильного содержания бора в металле сварного шва, была изготовлена партия нового керамического флюса, получившего условное обозначение ФКБ-4. Внешний вид керамического флюса представлен на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 - Внешний вид керамического флюса ФКБ-4 С использованием флюса ФКБ-4 в сочетании с проволоками марок Св-01Х12Н2
(ЭП792-ВИ) и Св-03Х19Н60М15 на режимах, представленных в таблице 1.1 выполнялась сварка пластин из стали марки (ЧС-82Ш), вырезанных из штатной шестигранной трубы.
Таблица 1.1 - Пределы изменения параметров режима сварки стали ЧС-82Ш под флюсом ФКБ-4 в сочетании с проволоками ЭП792-ВИ (1) и Св-03Х19Н60М15(2)
Номер Параметры режима сварки
образца 1св , А исв , В Vсв , м/ч
1 450 - 400 27 - 30 24 - 30
2 450 - 400 - 450 28 - 32 24 - 27
Внешний вид сварных швов представлен на рисунках 1.2 и 1.3.
Рисунок 1.2 - Внешний вид образца для подбора режима сварки под флюсом ФКБ-4
в сочетании с проволокой ЭП792-ВИ
Рисунок 1.3 - Внешний вид образца для подбора режима сварки под флюсом ФКБ - 4 в сочетании с проволокой Св-03Х19Н60М15
Одним и важных условий при оптимизации технологии сварки является достижение полного проплавления при минимальном усилении корневой и наружной части сварного шва. В результате проведенных экспериментов были выбраны оптимальные режимы для сварки стали марки (ЧС-82Ш) с использованием сварочных проволок Св-01Х12Н2 (ЭП792-ВИ) и Св-03Х19Н60М15 в сочетании с опытным
керамическим флюсом ФКБ-4. [3]
Таблица 1.2 - Режимы сварки под флюсом марки ФКБ - 4 в сочетании с проволоками марок Св-03Х19Н60М15 и ЭП792-ВИ
Марка сварочной проволоки Оптимальные параметры режима сварки
кв, А Шв, В Vсв, м/ч
ЭП792-ВИ 420 29 30
СВ-04Х19Н60М15 400 32 27
В результате проведенных исследований установлено, что флюс марки ФКБ-4 обладает приемлемым уровнем сварочно-технологических свойств (хорошее формирование металла сварного шва, легкая отделимость шлаковой корки, отсутствие внешних дефектов-пор, трещин, шлаковых включений, подрезов и т.д., хорошее формирование обратной стороны сварного шва на «флюсовой подушке»). Химический анализ показал, что керамический флюс ФКБ-4 должен обеспечивать содержание бора в металле сварного шва не менее 1 %. [4]
2. Отработка технологии формирования обратной стороны сварного шва при односторонней сварке стали марки (ЧС-82Ш)
С проблемами формирования обратной стороны и корня шва при дуговой сварке постоянно сталкиваются при сборке различного рода металлоконструкций. Так, например, при сварке технологических и магистральных трубопроводов, обечаек резервуаров, криволинейных обводов корабельных металлоконструкций с ограниченными возможностями доступа к обратной стороне стыкового и углового соединения с одной стороны, и сложностью, дороговизной и неэффективностью использования различного рода центраторов и остающихся подкладок с другой, основной проблемой является создание технологичных, рентабельных и многофункциональных устройств и материалов, обеспечивающих стабильную форму обратного валика с гарантией стандартной прочности конструкции.
Для решения комплексной задачи - создания высокопроизводительного процесса односторонней дуговой сварки с двухсторонним формированием шва, необходимо выявить факторы, влияющие на появление внутренних и наружных дефектов обратного валика (неравномерной высоты и ширины, шлаковых и газовых включений, подрезов, низкоградусных углов перехода от усиления к основному металлу), и, в результате, разработать технологию и материалы, обеспечивающие бездефектную форму обратной стороны шва.
Как уже говорилось выше, в качестве возможных способов выполнения сварного соединения рассматривались два варианта формирования обратной стороны сварного шва:
- сварка с формированием обратной стороны однопроходного шва на «флюсовой подушке»;
- сварка с формированием обратной стороны однопроходного шва с помощью подкладных лент. Оба эти способа были реализованы в процессе проводимых экспериментов (рисунки 2.1 а, б, и 2.2 а, б).
а - вид сверху б - вид снизу
Рисунок 2.1 - сварка под флюсом ФКБ-4 «на флюсовой подушке»
Рисунок 2.2 - сварка под флюсом ФКБ-4 на подкладной ленте ЛМС - 3
Однако, следует отметить, что добиться стабильных результатов, а тем более осуществить сварку с формированием обратной стороны сварного шва на «флюсовой подушке» с учетом требований к штатному изделию (минимальное усиление корневого валика), представляется весьма затруднительным.
Этому препятствуют довольно высокая критичность таких параметров, как величина сварочного тока, скорость сварки и размер зазора между свариваемыми кромками. Даже при незначительном превышении значения величины сварочного тока над заданным (< 5%) и увеличении зазора между свариваемыми кромками на 1мм. возможно неудовлетворительное формирование обратной и наружной стороны шва.
Помимо этого определенные трудности неизбежно возникают при устройстве «флюсовой подушки» на внутренней поверхности свариваемой конструкции.
В данных условиях формирование обратной стороны сварного шва на гибких (мягких) подкладках является более предпочтительным, так как не требует сложных технологических приспособлений и обеспечивает, при отработанной технологии, стабильное качество металла одностороннего сварного шва. Необходимо также отметить, что мягкие однослойные и многослойные подкладки обеспечивают качественное формирование обратной стороны шва во всех пространственных положениях. Поэтому, при выборе подкладок предпочтение было отдано именно гибким (мягким) формирующим подкладкам.
На промышленном уровне для гарантии обеспечения необходимой формы обратного валика, с начала 80-годов и по настоящее время, выпускаются керамические подкладки одноразового использования фирмы «ЕБАВ», марки ОК, керамические
подкладки КП и ПКП (ИЭС им. Е.О. Патона), подкладки фирмы Lincoln и др. фирм, в том числе и отечественных.
Для проведения исследований были выбраны гибкие подкладные ленты отечественного производства марки ЛМС-3 на основе стекловолокна, внешний вид которой представлен на рисунке 2.3, а схема подготовки стыкового соединения из стали марки (ЧС-82Ш) представлена на рисунок 2.4.
Рисунок 2.3 - Внешний вид гибкой однослойной подкладной ленты ЛМС - 3
3
1 /
1 - фольгоплен;
2 - клей постоянной липкости;
3 - свариваемые пластины;
4 - формирующий слой;
5 - тугоплавкие вставки.
Рисунок 2.4 - Конструкция свариваемых образцов на подкладной ленте
Особенность подкладной ленты заключается в том, что она является средством неоднократного применения, в отличие от других керамических подкладок. Данная гибкая подкладка сплошная, в отличие от других типов. Лента двухкомпонентная и имеет две стороны: легкоплавкую и тугоплавкую. Тугоплавкая сторона фиксирует высоту обратного валика, а легкоплавкая дает плавность растекания металла.
Свариваемые пластины были собраны с зазором 1,6 мм, для жесткости по краям, были приварены ребра из той же стали. Сварка образцов проводилась на установке фирмы «ЕБАВ» с использованием гибкой ленты ЛМС-3[5] в сочетании с флюсом ФКБ-4. Основная задача заключалась в достижении формирования обратной стороны валика с минимальным усилением, которое определяется свойствами образующегося шлака.
Режимы, на которых осуществлялась сварка с использованием подкладной ленты марки ЛМС-3 представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Режимы односторонней сварки с использованием подкладной ленты
Флюс Марка проволоки Диаметр проволоки, мм Режим сва жи
1св, А исв, В V св., м/ч
В 4 (тугоплавкая сторона) ЭП 792 0 3 420-400 29 30
B 4 (легкоплавкая сторона) 03Х19Н60М15 0 3 380-420 29 30
B 3(тугоплавкая сторона) ЭП 792 0 3 450-500 30 30
Внешний осмотр сваренных образцов показал, что использование оптимальных режимов позволяет получать качественное формирование обратной стороны сварного шва (рисунок 2.5 а, б, 2.9 а, б).
а - вид сверху б - вид снизу
Рисунок 2.5 - Образец, заваренный с использованием подкладной ленты ЛМС - 1
на тугоплавкой стороне
а - вид сверху б - вид снизу
Рисунок 2.6 - Образец, заваренный с использованием подкладной ленты ЛМС - 3
на легкоплавкой стороне
Внешний вид подкладной керамической ленты ЛМС - 3 после сварки образца показан на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 - Внешний вид подкладной ленты после сварки
Контроль сварки рентгеновским просвечиванием подтвердил высокое качество стыковых соединений при односторонней сварке стали (ЧС-82Ш), выполненных как на «флюсовой подушке», так и с применением керамических подкладных лент. Односторонняя сварка с использованием керамического флюса ФКБ-4 показала практически полное отсутствие дефектов. В сварном шве не обнаружены шлаковые включения, поры, трещины. На рентгеновских снимках выявлены только технологические дефекты, а именно: неполное проплавление, что связано с отступлением от оптимальных режимов сварки. Рентгеновские снимки сварных соединений представлены на рисунке 2.11
Рисунок 2.8 - Рентгеновские снимки сварных соединений
В результате проведенных исследований разработана технология автоматической односторонней сварки под керамическим флюсом стыковых соединений стали марки ЧС82-Ш, толщиной 6 мм с формированием обратной стороны сварного шва при помощи гибкой подкладной ленты марки ЛМС-3 и «флюсовой подушки», которая позволяет обеспечивать качественное сварное соединение при односторонней сварке с полным проплавлением.
3 Исследование свойств металла сварного соединения, выполненного на стали марки ЧС-82ш под флюсом ФКБ-4
3.1 Проведение механических испытаний
Учитывая положительный опыт, полученный при проведении предварительных исследований по сварке стали марки ЧС-82Ш, были заварены контрольные сварные соединения под опытным керамическим флюсом ФКБ-4 на оптимальных режимах в сочетании со сварочными проволоками марок Св-03Х19Н60М15 и ЭП792-ВИ.
Для проведения механических испытаний, согласно СТП 2700-137-80 и СТП 2700-197-81, была изготовлена серия образцов (рисунок 3.1) для испытаний на растяжение и на статический изгиб.
Рисунок 3.1 - Образцы для механических испытаний на растяжение
и статический изгиб
Результаты испытаний на растяжение представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Результаты испытаний на растяжение сварных соединений, выполненных автоматической односторонней сваркой на стали ЧС-82Ш, с использованием сварочных проволок Св-03Х19Н60М15 и ЭП792-ВИ в сочетании с опытным керамическим флюсом ФКБ-4
Марка сварочной проволоки Температура, ^ Временное сопротивление разрыву, МПа
ЭП792-ВИ 486
ЭП792-ВИ +20 497
Св-03Х19Н60М15 429
Св-03Х19Н60М15 490
Испытания показали, что разрушение всех образцов происходит по основному металлу, носит хрупкий характер без пластического течения. Сварное соединение обладает достаточно высоким уровнем прочностных характеристик, сопоставимым с характеристиками основного металла.
Испытания на статический изгиб показали, что разрушение контрольных образцов происходит по основному металлу при различных углах изгиба, при этом минимальный составляет ~ 5°, а максимальный - 30°, что также свидетельствует о хрупком характере разрушения и низкой пластичности основного металла (рисунок 3.2
а, б).
а б
а - образцы, выполненные с применением сварочной проволоки марки ЭП792-ВИ
б - образцы, выполненные с применением сварочной проволоки марки Св-03Х19Н60М15
Рисунок 3.2 - Характер разрушения сварных образцов в результате испытаний
на статический изгиб
3.2 Проведение металлографических исследований
Исследования микроструктуры сварных соединений показало, что структура сварных швов, выполненных под керамическими флюсами, отличается от околошовной зоны и основного металла (рисунок 3.3 - 3.7). Металл сварного шва имеет более мелкозернистую структуру, чем основной металл и зона термического влияния, что, по-видимому, и сказывается на результатах испытаний.
Необходимо также отметить, что металл сварного шва, выполненный сварочной проволокой марки Св-03Х19Н60М15, имеет ориентированную дендритную структуру, в то время, как структура металл сварного шва, полученного с использованием проволоки марки ЭП792-ВИ, имеет разориентированный характер, однако, имеет более крупные структурные элементы. Структура металла, как в одном, так и другом варианте, состоит из матрицы и боридной эвтектики. Что касается зоны термического влияния, то при сварке с использованием проволоки марки ЭП792-ВИ она имеет большие размеры, что может быть вызвано более высоким тепловложением при использовании указанной проволоки. В целом можно сделать вывод, что структура металла сварного шва имеет более предпочтительный характер по сравнению с основным металлом и особенно зоной термического влияния.
а) х 100 б) х 200 в) х 400
Рисунок 3.3 - Микроструктура основного металла в образцах из стали ЧС-82Ш
а) х 50
б) х 200
в)
х 1000
Рисунок 3.4 - Микроструктура металла сварного шва, полученного при сварке опытного образца из стали ЧС-82 Ш под керамическим флюсом ФКБ-4 в сочетании с проволокой марки Св-03Х19Н60М15
а)
х 100
б) х 200
в)
х 1000
Рисунок 3.5 - Микроструктура металла сварного шва, полученного при сварке опытного образца из стали ЧС-82 Ш под керамическим флюсом ФКБ-4 в сочетании с проволокой марки Св-01Х12Н2 (ЭП792-ВИ)
а)
х 50
б) х100
в)
х 200
Рисунок 3.6 - Микроструктура металла околошовной зоны в образце из стали ЧС-82 Ш, полученного при сварке под керамическим флюсом ФКБ - 4 в сочетании с проволокой марки Св-03Х19Н60М15
а)
х 50
б) х100
в)
х 200
Рисунок 3.7 - Микроструктура металла околошовной зоны в образце из стали ЧС-82 Ш, полученного при сварке под керамическим флюсом ФКБ-4 в сочетании с проволокой марки Св-01Х12Н2 (ЭП792-ВИ)
4 Разработка технологии сварки трубного стыка
Полученные в рамках настоящей работы результаты исследований позволяют сделать вывод о возможности получения сварного соединения с регламентированным содержанием бора в металле сварного шва на уровне не менее 1%, а также с необходимыми эксплуатационными характеристиками на уровне требований к основному металлу. В связи с этим было принято решение, сварить продольный трубный стык из стали марки ЧС-82 Ш, толщиной 6мм под керамическим флюсом марки ФКБ-4 в сочетании со сварочной проволокой марки ЭП792-ВИ с использованием подкладной ленты марки ЛМС-3. Трубный стык был собран с зазором 2 мм.
Сварка осуществлялась при следующих значениях режима: 1св. = 380 - 475А; Исв. = 30В.; Усв. = 29,5 - 30 м/ч. В результате установлено, что оптимальные значения тока должны находиться в пределах 380-420 А при прочих равных значениях. Указанный сварочный ток позволяет получать сварной стык с полным проплавлением и минимальным усилением обратной и наружной стороны шва.
Внешний вид сваренной трубы представлен на рисунке 4.1
а - вид сверху б - вид снизу
Рисунок 4.1 - Внешний вид фрагмента трубы, сваренной под флюсом ФКБ - 4 с применением сварочной проволоки ЭП792-ВИ
Таким образом, в результате проведенных исследований, показана возможность получения сварного варианта шестигранных труб из стали марки ЧС-82Ш с использованием стандартных сварочных проволок и керамического легирующего флюса, обеспечивающего содержание бора в металле сварного шва не ниже 1 %, с характеристиками сварного соединения на уровне основного металла.
Заключение
1. Показана возможность получения качественного сварного соединения с полным проплавлением при односторонней сварке с формированием обратной стороны шва на «флюсовой подушке» или на специальных гибких подкладных лентах. Осуществлен выбор подкладной ленты отечественного производства, обладающей оптимальным комплексом физико-химических характеристик, а также подобраны режимы для односторонней сварки под керамическим флюсом в сочетании со стандартными проволоками.
2. Проведены исследования металлургических характеристик металла сварного шва, выполненного под опытным керамическим легирующим флюсом в сочетании с проволоками марок Св-01Х12Н2 (ЭП792-ВИ) и Св-03Х19Н60М15, обеспечивающим не менее 1 % бора в металле сварного шва.
3. Исследования механических характеристик сварного соединения показали, что металл сварного шва обладает более высокими механическими характеристиками.
Разрушение разрывных и гибовых образцов происходит по основному металлу и зоне термического влияния.
4. Радиографический контроль качества металла сварного соединения не выявил дефектов в виде пор, трещин, шлаковых включений и т.д.
5. В результате металлографических исследований установлено, что структура металла сварного шва отличается от структуры основного металла и околошовной зоны и имеет более предпочтительный характер по сравнению с основным металлом и, особенно, зоной термического влияния.
6. Результаты, полученные в ходе проведенных исследований, позволили разработать технологию односторонней сварки трубного стыка и заварить опытный стык трубы из стали ЧС-82Ш с формированием обратной стороны стыка на гибкой подкладной ленте. Внешним осмотром и измерениями дефектов в виде пор, трещин, шлаковых включений и т. д. не обнаружено.
7. Таким образом, проведенные исследования показали возможность изготовления шестигранных труб из стали марки ЧС-82Ш с использованием сварочных технологий, как альтернативный вариант деформационным процессам. Вместе с тем необходимо проведение дополнительных исследований в следующих направлениях:
- оптимизировать состав металла сварного шва;
- провести исследования о возможности и влиянии многопроходной сварки на структуру и свойства металла сварного шва;
- исследовать влияние керамического флюса на состав металла сварного шва, как одно из средств оптимизации его состава;
- провести исследования по определению влияния погонной энергии на структуру металла сварного шва и околошовной зоны;
- определить необходимость предварительного подогрева и термической обработки после сварки;
- исследовать коррозионные свойства металла сварного шва и сварного соединения.
Литература
1. Губенко С.И., Беспалько В.Н., Жиленкова Е.В., Балев А.Е. Влияние качества трубной заготовки на технологические свойства стали 04Х14Т3Р1Ф // Теория и практика металлургии. 2006. С. 158-160.
2. Подгаецкий В.В. Флюсы для механизированных способов сварки, защитные газы и сварочные проволоки сплошного сечения. - К.: 1976. 72 с.
3. Потапов Н.Н Основы выбора флюсов при сварке сталей. - М.: 1979. 168 с.
4. Потапов Н.Н. Окисление металлов при сварке плавлением. - М.: 1985. 216 с.
5. Доронин Ю.В. Односторонняя сварка в строительстве. - М.: 1990.150 с.
Волобуев Юрий Сергеевич - НПО «Цниитмаш», Москва, заведующий лабораторией, к.т.н.
Доронин Александр Юрьевич - НПО « Цниитмаш», инженер.
Доронин Юрий Викторович- ООО «Экспертцентр», д.т.н.,Москва.
E-mail: bekkenbauer@ yandex.ru
Volobuev Jurii S. - candidate of Technical Science, the chief of laboratory, scientific production association «Cniitmash».
Doronin Alexandre J. - engineer, scientific production association «Cniitmash».
Doronin Jurii V. - Doctor of Technical science, Joint Stock Company «Expertcentre».E-mail: bekkenbauer@ yandex.ru
