CC BY
5
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Шекшеев М.А. Опыт применения тугоплавких инокулирующих добавок при разработке покрытых электродов для сварки высокопрочных трубных сталей // Вестник ПНИПУ. Машиностроение. Материаловедение. - 2023. -Т. 25, № 2. - С. 87-93. DOI: 10.15593/2224-9877/2023.2.10
Please cite this article in English as:
Sheksheev M.A. Experience in the use of refractory inoculating additives in the development of coated electrodes for welding high-strength pipe steels. Bulletin of PNRPU. Mechanical engineering, materials science. 2023, vol. 25, no. 2, pp. 87-93. DOI: 10.15593/2224-9877/2023.2.10
ВЕСТНИК ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение
Т. 25, № 2, 2023 Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science
http://vestnik.pstu.ru/mm/about/inf/
Научная статья
DOI: 10.15593/2224-9877/2023.2.10 УДК 621.791
М.А. Шекшеев
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Российская Федерация
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ ИНОКУЛИРУЮЩИХ ДОБАВОК ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПОКРЫТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ
Работа посвящена исследованиям в области сварки и материаловедения с целью разработки новых покрытых электродов для сварки трубных сталей различных классов прочности. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния тугоплавких инокулирующих добавок на структуру и механические свойства металла сварных швов высокопрочных трубных сталей. Исследования осуществлялись в два этапа. На первом этапе определялись эффективный размер инокулирующих тугоплавких частиц для сплавов с заданным химическим составом. На втором этапе производились экспериментальные исследования. Программа исследований включала изготовление экспериментальных партий электродов, содержащих в своем покрытии различное количество тугоплавкого порошка монокарбида вольфрама, и сварку этими электродами фрагментов проката трубной стали, из которых впоследствии изготавливались образцы для механических испытаний и металлографических исследований. Показано, что порошок монокарбида вольфрама в качестве добавки к базовому составу шихтовых компонентов электродного покрытия приводит к уменьшению площади поперечного сечения кристаллитов в наплавленном металле шва в 3 - 5 раз по сравнению с базовым образцом. Установлено, что при одновременном повышении временного сопротивления металла шва с 695 до 790 МПа сохраняется приемлемый уровень ударной вязкости при отрицательной температуре испытания (КОУ-40) от 165 до 72 Дж/см2. Таким образом, показана эффективность применения тугоплавких инокулирующих добавок для улучшения структуры и механических свойств металла сварных швов трубных сталей без применения дополнительных технологических операций, таких как предварительный и сопутствующий подогрев, а также послесварочная термическая обработка.
Ключевые слова: сварка, наплавка, покрытый электрод, трубная сталь, сварной шов, инокулирование, модифицирование, тугоплавкие материалы, монокарбид вольфрама, структура металла, механические свойства.
M.A. Sheksheev
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russian Federation
EXPERIENCE IN THE USE OF REFRACTORY INOCULATING ADDITIVES IN THE DEVELOPMENT OF COATED ELECTRODES FOR WELDING HIGH-STRENGTH PIPE STEELS
The work is devoted to research in the field of welding and materials science in order to develop new coated electrodes for welding pipe steels of various strength classes. The results of theoretical and experimental studies of the effect of refractory inoculating additives on the structure and mechanical properties of metal welds of high-strength pipe steels are presented. The research was carried out in two stages. At the first stage, the effective size of inoculating refractory particles for alloys with a given chemical composition was determined. At the second stage, experimental studies were carried out. The research program included the production of experimental batches of electrodes containing various amounts of refractory tungsten monocarbide powder in their coating, and welding with these electrodes fragments of rolled tubular steel from which samples were subsequently made for mechanical testing and metallographic studies. It is shown that tungsten monocarbide powder as an additive to the base composition of the charge components of the electrode coating leads to a decrease in the cross-sectional area of crystallites in the weld metal deposited by 3 to 5 times compared with the base sample. It was found that with a simultaneous increase in the temporary resistance of the weld metal from 695 to 790 MPa, an acceptable level of impact strength is maintained at a negative test temperature (KCV-40) from 165 to 72 J/cm2. Thus, the work shows the effectiveness of the use of refractory inoculating additives to improve the structure and mechanical properties of the metal of pipe steel welds without the use of additional technological operations, such as preheating and concomitant heating, as well as post-welding heat treatment.
Keywords: welding, surfacing, coated electrode, pipe steel, weld, inoculation, modification, refractory materials, tungsten monocarbide, metal structure, mechanical properties.
Вопрос импортозамещения для Российской экономики всегда был актуальным [1-5], но особенно остро он встал за последний год, в условиях агрессивной санкционной политики. Отечественная промышленность столкнулась с нехваткой широкого спектра материалов для сварки и наплавки из-за рубежа (покрытые электроды, проволока, флюсы). Зарубежные компании-производители и поставщики сварочных материалов, такие как ESAB (Швеция), Lincoln Electric (США), KOBE STEEL (Япония) и др., приостановили свою деятельность в России.
Потребители сварочных материалов (ПАО «Газпром», ПАО «Транснефть» и др.), предъявляют повышенные требования к качеству сварных соединений трубных сталей [6-11], когда металл шва должен обеспечивать необходимый уровень механических свойств без применения дополнительных технологических операций. Это особенно важно при сварке сталей высоких классов прочности К60-К80 [12-16].
В настоящей работе приведены некоторые результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния тугоплавких инокулирующих добавок на структуру и механические свойства металла сварных швов высокопрочных трубных сталей.
Применение тугоплавких инокуляторов при сварке позволяет улучшить структуру наплавленного металла и его механические свойства [17-21]. Однако возникает необходимость обоснованного выбора параметров тугоплавких частиц, таких как критический радиус и/или диаметр. Если частица будет меньше критического размера, то не сможет обеспечить инокулирующий эффект в расплаве сварочной ванны.
Исследования осуществлялись в два этапа. На первом этапе определялись эффективный размер инокулирующих тугоплавких частиц для сплавов с заданным химическим составом с помощью оригинального программного обеспечения «Расчет параметров инокулирующих добавок для сварочной ванны железоуглеродистых сплавов» (рис. 1), разработанного в МГТУ им. Г.И. Носова. В основу программы была заложена модель расчета критического размера зародыша кристаллизации железоуглеродистого сплава [22].
На втором этапе производились экспериментальные исследования. Программа исследований включала изготовление экспериментальных партий электродов, содержащих в своем покрытии различное количество тугоплавких порошков WC, и сварку этими электродами фрагментов проката трубной стали, из которых впоследствии изготавливались образцы для механических испытаний и металлографических исследований.
Для трубных сталей с различным химическим составом (табл. 1) и классом прочности была построена зависимость размера инокулирующих частиц от степени переохлаждения расплава (рис. 2). Углеродный эквивалент был определен по формуле, которая учитывает наличие в сталях микролегирующих элементов [23].
Результаты теоретических исследований показывают, что для трубных сталей классов прочности К60-К80 ориентировочный размер инокули-рующих тугоплавких частиц не должен быть менее 600-700 нм, в противном случае будет снижаться эффективность применения такой добавки.
Рис. 1. Рабочее окно программы для расчета параметров инокулирующих частиц
Таблица 1
Химический состав трубных сталей [24; 25]
Класс прочности С Массовая доля элементов, %
C Si Mn S P Cr Ni Cu Mo V Al Ti Nb N
К60 0,40 0,09 0,21 1,66 0,003 0,003 0,02 0,03 0,01 0,02 0,076 0,031 0,014 0,041 0,007
К70 0,44 0,07 0,36 1,69 0,0007 0,012 0,04 0,22 0,21 0,21 - 0,032 0,019 0,054 -
К80 0,48 0,06 0,2 1,89 0,003 0,003 - 0,36 0,26 0,24 - 0,000 0,014 0,044 -
Рис. 2. Зависимость размера частицы-зародыша для сталей различных классов прочности от степени переохлаждения расплава
Гранулометрический анализ применяемого порошка монокарбида вольфрама показал (рис. 3), что он примерно на 70 % состоит из частиц со средним диаметром менее 20 мкм, при этом частицы размером 3,5 мкм и менее составляют порядка 1 %.
Методом опрессовки были изготовлены экспериментальные партии электродов, содержащих в своем покрытии различное количество инокулирующей добавки в виде порошка WC (табл. 2).
а б
Рис. 3. Результаты гранулометрического анализа порошка WC: а - внешний вид частиц порошка; б - относительная частота частиц в объеме порошка
Таблица 2
Экспериментальные составы электродных покрытий
№ состава (образца) Инокулятор Шихтовые компоненты Связующее
WC CaCO3 CaF2 бЮ2 FeMn FeSi FeTi FeMo Слюда Поташ мусковит №2О
% от массы сухой смеси % в сухой смеси % от массы сухой смеси
1 - 46 19 6 Остальное 24-27
2 0,5
3 1,0
4 1,5
Рис. 4. Макроструктура сварных швов, выполненных электродами с различным содержанием WC:
а - 0 %; б - 0,5 %; в - 1,0 %; г - 1,5 %
Рис. 5. Зависимость площади сечения кристаллитов сварных швов в зависимости от содержания инокулирующей добавки WC в покрытии электродов
Изготовленные электроды диаметром 4,0 мм обладали покрытиями основного типа с фиксированным количеством шихтовых компонентов. Один из составов покрытий инокулирующей добавки не содержал.
Фрагменты проката из стали класса прочности К60 размерами 330*150*20 мм сваривали между собой на подложке в У-образную разделку в нижнем положении на токах 100-120 А обратной полярности. Из сваренных пластин вырезали образцы для металлографических исследований и механических испытаний.
Металлографический анализ показал (рис. 4), что в образцах, полученных электродами, содержащими добавки WC, наблюдается уменьшение площади поперечного сечения кристаллитов в наплавленном металле шва в 3-5 раз по сравнению с базовым образцом (рис. 5). Также с повышением содержания инокулирующей добавки снижается количество периферийного феррита, выделившегося по границам первичных зерен.
Результаты механических испытаний показали, что при одновременном повышении временного сопротивления металла шва с 695 МПа (образец № 1) до 790 МПа (образец № 4) сохраняется приемлемый уровень ударной вязкости при отрицательных температурах испытаний (КСУ-40) от 165 Дж/см2 (образец № 1) до 72 Дж/см2 (образец № 3).
Таким образом, в работе показана эффективность применения тугоплавких инокулирующих добавок для улучшения структуры и механических свойств металла сварных швов трубных сталей.
Библиографический список
1. Шпигунова Ю.А. Импортозамещение в России // Science Time. - 2016. - № 2 (26). - С. 655-658.
2. Сахаров А.С. Импортозамещение в российском машиностроении // Экономика и социум. - 2017. -№ 5-2 (36). - С. 87-91.
3. Кершенбаум В.Я., Белозерцева Л.Ю. Стандартизация и импортозамещение // Проектирование и разработка нефтегазовых месторождений. - 2017. - № 1. -С. 31-33.
4. Пустакина Д.В. Импортозамещение в современной экономике России // Актуальные вопросы науки. -2018. - № 38. - С. 55-57.
5. Импортозамещение в современных условиях / А.И. Сорокина, Е.И. Можарова [и др.] // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. - 2022. - № 19. - С. 360-367.
6. Особенности структуры и свойства сварных швов трубной стали, выполненных электродами различных марок / И.Н. Зверева, А.Д. Картунов [и др.] // Сварочное производство. - 2017. - № 11. - С. 37-40.
7. Исследование влияния склонности к росту зерна аустенита на ударную вязкость ЗТВ сварных соединений малоуглеродистых низколегированных сталей / Л.А. Ефи-менко, Д.В. Пономаренко [и др.] // Металлург. - 2020. -№ 4. - С. 62-65.
8. Регулирование процессов разупрочнения зоны термического влияния при сварке высокопрочных сталей / Л.А. Ефименко, О.Е. Капустин [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2016. - № 7. -С. 55-60.
9. Исследование структуры и механических свойств сварных соединений стали класса прочности К56 при различных параметрах режима сварки /
А.Н. Емелюшин, А.Б. Сычков [и др.] // Сварочное производство. - 2013. - № 1. - С. 3-7.
10. Сварочные электроды для нефтегазового комплекса / И.Н. Зверева, А. Д. Картунов [и др.] // Сварочное производство. - 2016. - № 5. - С. 36-38.
11. Электроды для ручной дуговой сварки в нефтегазовом комплексе / И.Н. Зверева, А. Д. Картунов [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. - 2015. - № 1. - С. 92-95.
12. Особенности процессов распада аустенита высокопрочных сталей при многопроходной сварке / Л.А. Ефименко, О.Е. Капустин [и др.] // Территория Нефтегаз. - 2015. - № 10. - С. 104-109.
13. Hybrid laser arc welding of high grade X80 and X120 pipeline steels / S. Gook, A. Gumenyuk [et al.] // Глобальная ядерная безопасность. - 2017. - No. 1 (22). -P. 21-35.
14. Microstructural changes and impact toughness of fill pass in X80 steel weld metal / F. Bai, H. Ding [et al.] // Metals. - 2019. - Vol. 9, no. 8. - С. 898.
15. Microstructures and their distribution within HAZ of X80 pipeline steel welded using hybrid laser-mig welding / L. Yin, J. Wang [et al.] // Welding in the World. - 2018. -Vol. 62, no. 4. - P. 721-727.
16. Hydrogen permeation parameters of X80 steel and welding HAZ under high pressure coal gas environment / T. Zhang, Y. Wang [et al.] // Jinshu Xuebao. 2015. -Vol. 51, no. 9. - P. 1101-1110.
17. Феноменологическая модель формирования центров кристаллизации в металлическом расплаве при сварке под влиянием ультрадисперсных тугоплавких компонентов / Г.Н. Соколов, В.И. Лысак [и др.] // Вопросы материаловедения. - 2015. - № 4. - С. 159-168.
18. Влияние нанодисперсных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла / Г.Н. Соколов, В.И. Лысак [и др.] // Сварка и диагностика. - 2011. - № 3. - С. 36-38.
19. Инокулирование сварочной ванны низкоуглеродистой стали ультрадисперсными тугоплавкими компонентами / М.А. Шекшеев, М.А. Полякова [и др.] // Металлург. - 2022. - № 12. - С. 63-68.
20. Формирование дисперсного игольчатого феррита в структуре хладостойких сварных швов в условиях температур до -70°С при ручной дуговой сварке на монтаже металлоконструкций из стали 10ХСНД / Г.Н. Соколов, Т.Р. Литвинова [и др.] // Вопросы материаловедения. - 2020. - № 2 (102). - С. 17-29.
21. Исследование влияния шлаковой системы покрытых электродов на эффективность инокулирования металла сварочной ванны низкоуглеродистой стали / М.А. Шекшеев, С.В. Михайлицын [и др.] // Черные металлы. - 2022. - № 5. - С. 68-73.
22. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 542 с.
23. Особенности подхода к оценке сваpиваемости низкоуглеpодистых высокопpочных тpубных сталей / Л.А. Ефименко, О.Ю. Елагина [и др.] // Сварочное производство. - 2010. - № 5. - С. 5-11.
24. Имитация процессов структурообразования в трубных сталях при контролируемой прокатке с уско-
ренным охлаждением / М.Ю. Матросов, А.А. Кичкина [и др.] // Металлург. - 2007. - № 7. - С. 52-58.
25. Традиционные и перспективные стали для строительства магистральных газонефтепроводов / Л.А. Ефименко, О.Ю. Елагина [и др.]. - М.: Логос, 2011. - 304 с.
References
1. Shpigunova Yu.A. Importozameshchenie v Rossii [Import substitution in Russia]. Science Time, 2016, no. 2 (26), pp. 655-658.
2. Saharov A.S. Importozameshchenie v rossiiskom mashinostroenii [Import substitution in Russian mechanical engineering]. Ekonomika i socium, 2017, no. 5-2 (36), pp. 87-91.
3. Kershenbaum V.Ia., Belozertseva L.Iu. Standar-tizatsiia i importozameshchenie [Standardization and import substitution]. Proektirovanie i razrabotka neftegazovykh mestorozhdenii, 2017, no. 1, pp. 31-33.
4. Pustakina D.V. Importozameshchenie v sovre-mennoi ekonomike Rossii [Import substitution in the modern Russian economy]. Aktual'nye voprosy nauki, 2018, no. 38, pp. 55-57.
5. Importozameshchenie v sovremennykh usloviiakh / A.I. Sorokina, E.I. Mozharova et al. [Import substitution in modern conditions]. Sbornik nauchnykh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2022, no. 19, pp. 360-367.
6. Zvereva I.N., Kartunov A.D. et al. Osobennosti struktury i svoistva svarnykh shvov trubnoi stali, vypolnennykh elektrodami razlichnykh marok [Peculiarities of structure and properties of pipe steel welds made with electrodes of different grades]. Svarochnoe proizvodstvo, 2017, no. 11, pp. 37-40.
7. Efimenko L.A., Ponomarenko D.V. et al. Issledovanie vliianiia sklonnosti k rostu zerna austenita na udarnuiu viazkost' ZTV svarnykh soedinenii malouglerodistykh nizkolegirovannykh stalei [Study of the effect of austenit grain growth tendency on the impact toughness of low-carbon low-alloy steel welded joints]. Metallurg, 2020, no. 4, pp. 62-65.
8. Efimenko L.A., Kapustin O.E. et al. Regulirovanie protsessov razuprochneniia zony termicheskogo vliianiia pri svarke vysokoprochnykh stalei [Regulation of the Thermal Affected Zone Cracking Process in Welding of High-Strength Steels]. Metallovedenie i termicheskaia obrabotka metallov, 2016, no. 7, pp. 55-60.
9. Emeliushin A.N., Sychkov A.B. et al. Issledovanie struktury i mekhanicheskikh svoistv svarnykh soedinenii stali klassa prochnosti K56 pri razlichnykh parametrakh rezhima svarki [Study of structure and mechanical properties of welded joints of steel of strength class K56 with different parameters of welding regime]. Svarochnoe proizvodstvo, 2013, no. 1, pp. 3-7.
10. Zvereva I.N., Kartunov A.D. et al. Svarochnye elektrody dlia neftegazovogo kom-pleksa [Welding electrodes for the oil and gas industry]. Svarochnoe proizvodstvo, 2016, no. 5, pp. 36-38.
11. Zvereva I.N., Kartunov A.D. et al. Elektrody dlia ruchnoi dugovoi svarki v neftegazovom komplekse [Elec-
trades for manual arc welding in the oil and gas industry], Vestnik Iuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta, 2015, no, 1, pp, 92-95,
12, Efimenko L.A., Kapustin O.E. et al, Osoben-nosti protsessov raspada austenita vysokoprochnykh stalei pri mnogoprokhodnoi svarke [Peculiarities of aus-tenite decomposition processes in high-strength steels during multipass welding], Territoriia Neftegaz, 2015, no, 10, pp, 104-109,
13, Gook S,, Gumenyuk A, et al, Hybrid laser arc welding of high grade X80 and X120 pipeline steels, Global'naia iadernaia bezopasnost', 2017, no, 1 (22), pp, 21-35,
14, Bai F,, Ding H, et al, Microstructural changes and impact toughness of fill pass in X80 steel weld metal, Metals, 2019, vol, 9, no, 8, pp, 898,
15, Yin L,, Wang J, et al, Microstructures and their distribution within HAZ of X80 pipeline steel welded using hybrid laser-mig welding, Welding in the World, 2018, vol, 62, no, 4, pp, 721-727,
16, Zhang T,, Wang Y, et al, Hydrogen permeation parameters of X80 steel and welding HAZ under high pressure coal gas environment, Jinshu Xuebao, 2015, vol, 51, no, 9, pp, 1101-1110,
17, Sokolovv, Lysak V,I, et al, Fenomenologicheskaia model' formirovaniia tsentrov kristallizatsii v metalliches-kom rasplave pri svarke pod vliianiem ul'tradispersnykh tugoplavkikh komponentov [Phenomenological model of formation of crystallization centers in the metallic melt during welding under the influence of ultradispersed refractory components], Voprosy materialovedeniia, 2015, no, 4, pp, 159-168,
18, Sokolov G,N,, Lysak V,I, et al, Vliianie nano-dispersnykh karbidov WC i nikelia na strukturu i svoistva naplavlennogo metalla [Effect of nanodispersed WC and nickel carbides on the structure and properties of the deposited metal], Svarka i diagnostika, 2011, no, 3, pp, 36-38,
19, Sheksheevv M,A,, Poliakova M,A, et al, Inokuliro-vanie svarochnoi vanny nizkouglerodistoi stali ul'tradispers-nymi tugoplavkimi komponentami [Inoculation of a low-carbon steel weld pool with ultradispersed refractory components], Metallurg, 2022, no, 12, pp, 63-68,
20, Sokolov G,N,, Litvinova T,R, et al, Formirovanie dispersnogo igol'chatogo ferrita v strukture khladostoikikh svarnykh shvov v usloviiakh temperatur do -70°S pri ruchnoi dugovoi svarke na montazhe metallokonstruktsii iz stali 10KhSND [Formation of dispersed needle ferrite in the structure of cold-resistant welds at temperatures down to -70°C during manual arc welding in the assembly of steel structures made of 10XCHfl steel], Voprosy materialovedeniia, 2020, no, 2 (102), pp, 17-29,
21. Sheksheev M.A., Mikhailitsyn S.V. et al. Issle-dovanie vliianiia shlakovoi sistemy pokrytykh elektrodov na effektivnost' inokulirovaniia metalla svarochnoi vanny nizkouglerodistoi stali [Investigation of the influence of the slag system of coated electrodes on the efficiency of inoculation of the weld metal in a low-carbon steel weld pool]. Chernye metally, 2022, no. 5, pp. 68-73.
22. Guliaev A.P. Metallovedenie [Metallology]. Moscow: Metallurgiia, 1986, 542 p.
23. Efimenko L.A., Elagina O.Iu. et al. Osobennosti podkhoda k otsenke svapivaemosti nizkouglepodistykh vysokoppochnykh tpubnykh stalei [Peculiarities of the approach to assessing the weldability of low-carbon high-strength pipe steels]. Svarochnoe proizvodstvo, 2010, no. 5, pp. 5-11.
24. Matrosov M.Iu., Kichkina A. A. et al. Imitatsiia protsessov strukturoobrazovaniia v trubnykh staliakh pri kontroliruemoi prokatke s uskorennym okhlazhdeniem [Simulation of structure formation processes in pipe steels during controlled rolling with accelerated cooling]. Metalurg, 2007, no. 7, pp. 52-58.
25. Efimenko L.A., Elagina O.Iu. et al. Traditsionnye i perspektivnye stali dlia stroitel'stva magistral'nykh gazonefteprovodov [Traditional and prospective steels for construction of main gas and oil pipelines]. Moscow: Logos, 2011, 304 p.
Поступила: 17.12.2022
Одобрена: 09.02.2023
Принята к публикации: 03.05.2023
Об авторе
Шекшеев Максим Александрович (Магнитогорск, Россия) - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры машин и технологий обработки давлением и машиностроения МГТУ им. Г.И. Носова (Россия, 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, e-mail: shecsheev@yandex.ru).
About the author
Maxim A. Sheksheev (Magnitogorsk, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Ass. Professor, Department of of Machines and Technologies of Pressure Treatment and Mechanical Engineering, Nosov Magnitogorsk State Technical University (38, Lenina ave., Magnitogorsk, 455000, Russian Federation, e-mail: shecsheev@yandex.ru).
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Вклад автора 100 %.
