CC BY
49
_ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ
УДК 621.791.92
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-2-59-62
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНОВОЙ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОНСТРУКЦИЙ МОРСКОЙ ТЕХНИКИ
Алексей Сергеевич Орыщенко1, докт. техн. наук, член-корр. РАН, Игорь Степанович Полькин2, докт. техн. наук, Валерий Петрович Леонов1, докт. техн. наук, Владимир Иванович Михайлов1, докт. техн. наук
1 НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия, mail@crism.ru
2 Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с разработкой композиций и особенностями применения титановой сварочной проволоки для изготовления конструкций и изделий морской техники различного назначения из сплавов титана.
Ключевые слова: сварочная проволока, титановые сплавы, морская техника, сварка, наплавка
Peculiarities in the Use of Titanium Filling Wire in Manufacturing Marine and Offshore Structures and Facilities. Dr. of Sci. (Eng.), Corresponding Member of RAS Alexander S. Oryshchenko1, Dr. of Sci. (Eng.) Igor S. Polkin2, Dr. of Sci. (Eng.) Valery P. Leonov1, Dr. of Sci. (Eng.) Vladimir I. Mikhailov1
1 NRC «Kurchatov Institute» - «Prometey», St. Petersburg, Russia, mail@crism.rumailto:mail@crism.ru
2 VILS, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
Abstract. The paper considers the issues related to the development of compositions and peculiarities of using titanium filling wire for manufacturing marine and offshore structures and facilities made of titanium alloys for different applications.
Key words: filling wire, titanium alloys, marine and offshore facilities, welding, cladding
В настоящее время композиции сварочных проволок из титана и титановых сплавов, применяемых в России, определены стандартом ГОСТ 27265 [1]. В целом указанный стандарт распространяется на сварочную проволоку общего назначения. Ряд марок сварочной проволоки используют для сварки конструкций морской техники, в которых одним из основных требований к материалу является хорошая работоспособность в морской воде.
Конструкции морской техники разделяют на три категории (корпусные, машиностроительные и энергетические), отличающиеся условиями работы. В НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» (далее «Прометей») для корпусных конструкций разрабо-
таны сплавы марок ПТ-3В, 5В, 37 с гарантированным пределом текучести 600-850 МПа; для изделий машиностроения - сплавы марок 3М, ТЛ5, 14 с гарантированным пределом текучести 450-600 МПа; для энергетики - сплавы марок ПТ-1М, ПТ-7М, 27 с гарантированным пределом текучести 300-450 МПа.
При сварке указанных сплавов с присадкой в соответствии с технологической документацией в судостроении применяют следующие марки проволок: ВТ1-00св (ств = 295-470 МПа); 2В (490-635 МПа); ПТ-7Мсв (440-635 МПа) и ВТ6св (665-865 МПа). Сплавы ВТ1-00св и ПТ-7Мсв относятся к группе а-сплавов титана, сплав 2В - к псевдо-а-сплавам, сплав ВТ6св -к низколегированным а + р-сплавам. Металл
шва, выполненный указанными сварочными проволоками, обладает хорошими механическими свойствами и удовлетворяет необходимым требованиям по работоспособности, предъявляемым к соответствующим конструкциям морской техники.
Марку сварочной проволоки выбирают, в основном, в соответствии с обеспечением необходимой прочности сварных соединений. Допускается замена марки сварочной проволоки с учетом обеспечения равнопрочности сварного соединения. Сварочную проволоку, содержащую ванадий (2В, ВТ6св), не рекомендуется использовать в сварных соединениях, подлежащих оксидированию.
Начало широкого применения титана и титановой сварочной проволоки в судостроении в России относится к 60-м гг. прошлого столетия, когда было развернуто строительство первой цельнотитановой атомной подводной лодки (АПЛ) проекта 661 [2].
Листы, плиты, поковки для этого проекта изготавливали в ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», а сварочную проволоку - в ОАО «Всесоюзный институт легких сплавов» (ВИЛС), который практически до 90-х гг. был единственным поставщиком промышленной титановой сварочной проволоки. В 70 - 80-е гг., в период максимального применения титана при строительстве цельно-титановых конструкций морской техники, объем изготовления и поставок титановой сварочной проволоки составлял 200-220 т/год. Сварочная проволока марки 2В, разработанная в «Прометее», в большом объеме была использована при сварке корпусных конструкций, а сварочная проволока марки ПТ-7Мсв, также разработанная в «Прометее», - для конструкций машиностроения и энергетики. При аргонодуговой сварке прочность наплавленного металла с применением этих проволок, как правило, меньше основного металла при более высоких значениях характеристик пластичности за счет меньшей степени легирования и более низкого содержания примесей (02, М2, С).
С целью обеспечения прочности сварного соединения и уменьшения расхода сва-
рочной проволоки при заполнении разделки без выполнения усиления шва при сварке конструкций морской техники широко используется разработанный в «Прометее» способ сварки по узкому щелевому зазору [3]. Благодаря проявлению эффекта контактного упрочнения при узком зазоре и мягком металле шва может быть обеспечена равнопрочность сварного соединения при минимальной величине усиления шва. Применение сварочной проволоки 2В при строительстве конструкций подводной морской техники с использованием соединений с узким зазором обеспечило их высокую надежность и работоспособность при эксплуатации. Предел текучести металла шва, выполненного аргонодуговой сваркой с проволокой марки 2В, составлял в среднем 500 МПа. При этом равнопрочность сварных соединений при практическом отсутствии усиления шва была обеспечена при сварке не только сплава ПТ-3В (ст02 = 580 МПа), но и 5В (ст02 = 780 МПа).
Сварочную проволоку марки ПТ-7Мсв широко применяют при сварке труб, а также трубных пучков парогенераторов и другого теплообмен-ного оборудования [4]. На всех энергоустановках ледоколов, построенных в России, были установлены титановые парогенераторы (более 70 шт.), которые отработали назначенный срок службы (рис. 1, 2).
Сварочную проволоку марки ПТ-7Мсв также применяют для наплавки уплотнительных поверхностей судовой запорной арматуры при использовании достаточно сложной технологии [5].
Рис. 1. Ледокол с титановыми парогенераторами
Рис. 2. Титановый парогенератор
Перед наплавкой сварочная проволока ПТ-7Мсв проходит высокотемпературное термическое оксидирование при 950 ± 10 °С с последующим вакуумным отжигом, а наплавку производят на предварительно нагретую деталь до 400-500 °С, поддерживая эту температуру сопутствующим подогревом.
С целью снижения трудоемкости указанного технологического процесса был разработан альтернативный вариант получения уплотни-тельных поверхностей, включающий замену сварочной проволоки из сплава ПТ-7Мсв на ВТ6св, а также замену термического оксидирования микродуговым (МДО) [6]. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к судовой титановой арматуре, твердость наплавки должна составлять 350-430 кгс/мм2. Для наплавки присадочным материалом из сплава ПТ-7Мсв такая твердость обеспечивается высоким содержанием кислорода после высокотемпературного термического оксидирования.
При наплавке присадочным материалом ВТ6св необходимая твердость обеспечивается более высокой прочностью сплава по сравнению с ПТ-7Мсв при более низком содержании кислорода. После МДО толщина окисленного слоя на поверхности сварочной проволоки уменьшается в 4-5 раз. Применение МДО позволило исключить вакуумный отжиг ввиду отсутствия наводорожива-ния, а снижение содержания кислорода позволило выполнять процесс наплавки без предварительного и сопутствующего подогрева деталей [7].
В настоящее время для перспективных проектов морской техники появилась потреб-
ность в титановых сплавах с более высоким пределом текучести (до 900-1000 МПа). Такие значения прочностных характеристик особенно для крупногабаритных полуфабрикатов можно получить практически только на термо-упрочняемых сплавах, в частности на псевдо-р-сплавах [8].
Опыт применения сплавов этого класса в авиационной промышленности показал, что при их сварке рекомендуется использовать такие присадочные материалы, как технический титан (ВТ1-00св) или низколегированные а + р-сплавы типа СПТ2 [9]. В «Прометее» совместно с ОАО «ВИЛС» для сварки титановых сплавов псевдо-р-класса были выполнены работы по созданию и исследованию новой сварочной проволоки, относящейся к группе низколегированных а + р-сплавов титана. По легированию р-стабилизирующими элементами композиция опытного сплава сварочной проволоки состояла из малого количества элементов (до 1 % каждого), входящих в состав псевдо-р-сплава V5T5553 при величине [Мо]ЭКВ = 2,2-2,3 %.
При этом дополнительно было исследовано влияние модификатора гадолиния в количестве до 0,2 % с целью улучшения структуры и свойств металла шва. Результаты испытаний металла шва, выполненного при ручной аргонодуговой сварке сплава V5T5553 с применением сварочной проволоки опытных составов, приведены в таблице.
Результаты испытаний, а также исследования структуры металла шва показали, что гадолиний как модификатор не оказывает значительного влияния на механические свойства и структуру металла шва. Аналогичные выводы по влиянию таких модификаторов, как рений и бор, на металл шва из сплавов СПТ2 и ВТ14 были сделаны в работе [9].
В настоящее время в «Прометее» продолжаются разработки высокопрочных титановых сплавов и сварочной проволоки для обеспечения требуемых механических свойств и работоспособности сварных соединений конструкций перспективных проектов морской техники.
В заключении следует отметить, что «Прометей» и ВИЛС на протяжении многих лет сохраняли замечательные традиции тесного научно-технического сотрудничества в области разработки титановых сварочных материалов. Это позволило построить и успешно эксплуатировать многие конструкции морского назначения.
Механические свойства металла шва из сварочной проволоки опытного состава
Содержание Gd, % ав, МПа а02, МПа Ss, % Y, %
0,2 779,0 - 797,0 789,0 779,0 - 809,0 803,3 699,0 - 721,0 711,7 700,0 - 715,0 706,0 8,6 -13,0 11,0 9,0 -13,0 11,0 17,0 - 35,0 26,0 16,0 - 28,0 23,0
В настоящее время количество предприятий по производству титановой сварочной проволоки в России значительно увеличилось. Развернуто производство титановой сварочной проволоки в АО «Чепецкий механический завод», г. Глазов, ООО «Сплав-Ти», г. Волгоград,
ООО «Мегаметалл», г. Москва, которые при необходимости способны обеспечить поставку сварочной проволоки на предприятия-строители морской техники. Однако у истоков этих производственных успехов стояли «Прометей» и ВИЛС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 27265-87. Проволока сварочная из титана и титановых сплавов. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 9 с.
2. Ushkov S.S., Khesin Y.D., Suvorov N.V. Marine application of titanium / Titanium 99: Science and Technology: Proceedings of the 9th World Conference in Titanium. Saint Petersburg. Russia. 1999, June. V. II. P. 1050-1057.
3. Ushkov S.S., Mikhailov V.I., Boykov L.V. TIG Narrow gap welding of Titanium Alloys / Titanium 99: Science and Technology: Proceedings of the 9th World Conference in Titanium. Saint Petersburg. Russia. 1999, June. V. III.P. 1754-1757.
4. Горынин И.В., Ушков С.С., Хатунцев А.Н., Ло-шакова Н.И. Титановые сплавы для морской техники. - С.-Пб.: Политехника, 2007. - 387 с.
5. Кудояров Б.В., Миронова Н.Е., Николаев А.А., Шмырев Ю.Н. Технология наплавки уплотни-тельных поверхностей судовой арматуры из сплавов титана // Судостроительная промышленность.
Серия: Материаловедение. Вып.10. Сварка. 1990. С. 36-39.
6. Леонов В.П., Михайлов В.И., Грошев А.Л., Шаталов В.К., Фатиев И.С. Новые материалы для выполнения наплавок на детали судовой арматуры из титановых сплавов глубоководных транспортных средств // Вопросы материаловедения. 2015. № 1 (81). С. 263-268.
7. Леонов В.П., Шаталов В.К., Михайлов В.И., Максимов В.В., Грошев А.Л., Смаковский М.С. Присадочный материал для наплавки судовой титановой арматуры // Титан. 2020. № 3-4 (69). С. 62-66.
8. Кудрявцев А.С., Кулик В.П., Третьякова Н.В., Чудаков Е.В., Шалаев А.М., Коновалов М.А. Исследование фазового состава, структуры и механических свойств титановых псевдо-р-сплавов // Титан. 2014. № 3(45). С. 39-44.
9. Моисеев В.Н., Куликов Ф.Р., Кириллов Ю.П. и др. Сварные соединения титановых сплавов - М.: Металлургия, 1978. - 248 с.
REFERENCES
1. GOST 27265-87. Titanium and Titanium-Alloy Filling Wire. Technical specifications. - M.: Standards, 1988. - 9 s. 6.
2. Ushkov S.S., Khesin Y.D., Suvorov N.V. Marine application of titanium / Titanium 99: Science and Technology: Proceedings of the 9th World Conference in Titanium. Saint Petersburg. Russia. 1999, June, V. II. -
P. 1050-1057. 7.
3. Ushkov S.S., Mikhailov V.I., Boykov L.V. TIG Narrow gap welding of Titanium Alloys / Titanium 99: Science and Technology: Proceedings of the 9th World Conference in Titanium. Saint Petersburg. Russia. 8. 1999, June. V. III.P. 1754-1757.
4. Gorynin I.V., Ushkov S.S., Khatuntsev A.N., Loshakova N.I. Titanovye splavy dlya morskoy tekh-niki. - S.-Pb.: Politekhnika, 2007. - 387 s.
5. Kudoyarov B.V., Mironova N. Ye., Nikolayev A.A., 9. Shmyrev Yu.N. Tekhnologiya naplavki uplotnitel'nykh poverkhnostey sudovoy armatury iz splavov titana //
Sudostroitel'naya promyshlennost'. Seriya: Materi-alovedeniye. Vyp.10. Svarka. 1990. S. 36-39. Leonov V.P., Mikhaylov V.I., Groshev A.L., Shata-lov V.K., Fatiyev I.S. Novye materialy dlya vypolneni-ya naplavok na detali sudovoy armatury iz titanovykh splavov glubokovodnykh transportnykh sredstv / Vo-prosy materialovedeniya. 2015. № 1 (81). S. 263-268. Leonov V.P., Shatalov V.K., Mikhaylov V.I., Aksi-mov V.V., Groshev A.L., Smakovskiy M.S. Prisa-dochny material dlya naplavki sudovoy titanovoy armatury // Titan. 2020. № 3-4 (69). S. 62-66. Kudryavtsev A.S., Kulik V.P., Tret'yakova N.V., Chudakov Ye.V., Shalaev A.M., Konovalov M.A. Issledovaniye fazovogo sostava, struktury i me-khanicheskikh svoystv titanovykh psevdo-b-splavov // Titan. 2014. № 3(45). S. 39-44. Moiseyev V.N., Kulikov F.R., Kirillov Yu.P. i dr. Svarnye soyedineniya titanovykh splavov. - M.: Metallurgiya, 1978. - 248 s.
