Сварка среднелегированных высокопрочных сталей

12.07.2018
Научное направление — изучение физико-металлургических особенностей и технологических процессов сварки среднелегированных высокопрочных сталей — неразрывно связано с Институтом электросварки.

Еще в годы войны Б.Е. Патон и А.М. Макара завершили этап экспериментальных исследований автоматической сварки под флюсом этого типа сталей. В 1948 году выходят сборник трудов по автоматической сварке под флюсом и руководство по автоматической сварке под флюсом среднелегированных сталей. В них обобщен опыт военных и послевоенных лет.

Практическое применение высокопрочных сталей в сварных конструкциях отражено в вышедших под редакцией Б.Е. Патона трудах, в том числе «Электрошлаковая сварка». Дальнейшее развитие получили электрошлаковые технологии при производстве специальных заготовок и изготовлении сосудов высокого давления из среднелегированных сталей. Были разработаны способ, технологии и оборудование для электрошлакового обогрева (ЭШО) нерасходуемыми электродами бесприбыльных слитков, получение биметаллических прокатных и штамповых заготовок, полых заготовок цапфовых плит сталеразливочных ковшей. Из полученной методом ЭШО двухслойной коррозионностойкой стали толщиной 8, 10 и 12 мм изготовлены железнодорожные цистерны для перевозки агрессивных веществ и толстостенные баллоны высокого давления.

Уделялось большое внимание вопросам сварки тонколистовых высокопрочных сталей, так как они использовались в качестве конструкционного материала для корпусов твердотопливных ракет. В 1960-е гг., когда США поставили на боевое дежурство межконтинентальные трехступенчатые твердотопливные ракеты типа «Минитмен», С.П. Королев получил директиву разработать адекватные средства. Конструкторское решение было предложено, но большинство металлургических заводов поначалу не смогли изготавливать металл нужного качества. Были применены стали мартен-ситного класса с пределом прочности до 2000 МПа. Это позволяло существенно уменьшить собственный вес ракеты и увеличить дальность полета. Однако, отличаясь высокой прочностью, эти стали в сварных конструкциях имели повышенную склонность к хрупкому разрушению.

Основываясь на опыте электрошлакового переплава шарикоподшипниковой стали, предложено использовать этот метод для радикального улучшения качества и свариваемости высокопрочных сталей. Инициатива была поддержена академиком М.К. Янгелем и руководством Приднепровского региона. С 1963 г. на ракетостроительные заводы стал поступать высокопрочный металл повышенной чистоты и, как следствие, пластичности.

Изучение сталей, изготовленных с применением нового металлургического передела, показало, что требуется совершенствование технологии их сварки. Исследование свариваемости высокопрочных сталей после рафинирующего переплава позволило установить причины уменьшения глубины проплавления основного металла при аргоно-дуговой сварке. Снижение содержания вредных примесей повысило на 30...50 % пластичность металла и на 20...25 % прочностные характеристики. Б.Е. Патон предложил преднамеренно вводить в зону плавления дугой металла в малых количествах кислород и другие элементы, активирующие дугу в инертной атмосфере. Использование этой идеи позволило не только восстановить, но и увеличить в несколько раз проплавляющую способность дуги. При этом сварные соединения по прочности и пластичности не уступали основному металлу.

Важным результатом этой работы явился оригинальный метод сварки высокопрочных сталей вольфрамовым электродом с активирующим флюсом, который не имел зарубежных аналогов.

Совершенствование технологий выплавки и сварки высокопрочных сталей сыграло важную роль в поддержании паритета в техническом и технологическом противостоянии США и России. Так благодаря заданиям ракетчиков и научным разработкам ИЭС появились промышленные методы рафинирования высокопрочных сталей электрошлаковым, электронно-лучевым, плазменно-дуговым переплавами.

Рафинирование высокопрочных сталей, позволило повысить выход годного проката с 20 до 80 %. Новая технология прецизионной сварки с поперечными колебаниями дуги и активирующим флюсом в инертных газах обеспечила равнопрочность основного металла шва и ЗТВ при уровне прочности соединения до 2000 МПа.

Использование высокопрочных сталей в сварных конструкциях получило развитие при решении актуальной задачи создания сварных облегченных баллонов высокого давления, в том числе используемых для перевода автотранспорта с бензина на менее дефицитное и более экологически безопасное горючее — природный газ метан.

Известно, что на автотранспорт, мировой парк которого превышает 700 млн единиц, расходуется до 70 % добываемой нефти. При этом в окружающую атмосферу выбрасывается более 60 % всех загрязнений. Переход на природный газ, запасы которого намного больше, позволяет снизить в 3-5 раз выброс опасных для здоровья загрязнителей. Потребовались емкости для газа, которые должны быть компактными и работать при высоком давлении. Металл в таких емкостях постоянно работает в условиях малоциклового нагружения. Сварные соединения, которые в условиях статического нагружения емкостей (кислородные баллоны для высотных систем самолетов и водородные баллоны) по служебным характеристиками равноценны основному металлу, но в условиях малоциклового нагружения исчерпывают свой ресурс довольно быстро: за 5000...6000 циклов при требуемых более 15000.

Сравнение способов сварки, изучение геометрии изделий, структуры и свойств основного металла, влияющих на малоцикловую усталость сварных соединений высокопрочных сталей, показали, что для достижения расчетной долговечности баллонов следует обеспечить измельчение микроструктуры шва и ЗТВ, устранить концентраторы напряжения. Потребовалось стальной корпус баллона дополнительно упрочнять композиционным материалом, который обеспечивает прочностные и эксплуатационные характеристики на уровне требований к сварному корпусу.

Была разработана конструкция и освоено производство баллонов, работающих как в условиях статического нагружения — для хранения сжатых до 200...600 атм газов, так и малоциклового нагружения при давлении до 200 атм, для работы в качестве заправочных емкостей на автотранспорте и др.

Успешное решение проблемы применения высокопрочных баллонов на автомобильном транспорте позволило перейти к проекту перевозки морским транспортом в баллонах большой емкости сжатого газа, в частности водорода.

В годы, когда началось активное освоение природных ресурсов в северных регионах России, возникла необходимость в создании мощной горнорудной техники, машин и агрегатов с низкой удельной металлоемкостью. Стало очевидным, что весьма перспективными для изготовления таких сварных металлоконструкций являются низколегированные высокопрочные стали со структурой отпущенного мартенсита или бейнита.

В середине 1960-х гг. производство высокопрочных сталей было освоено отдельными металлургическими комбинатами Советского Союза.

Одной из первых была разработана сталь марки 14Х2ГМР. Впоследствии на ее основе был создан ряд высокопрочных сталей, таких, как 14Х2ГМРБ, 14Х2ГМРЛ, 14Х2ГМ, 13ХГМРБ. Однако возрастающие требования к хладостойкости сталей потребовали их совершенствования. В связи с этим в середине 1970-х гг. отечественными и зарубежными металлургами освоено производство сталей, содержащих дисперсные нитриды. В Советском Союзе они создавались на базе стали марки 12Г2СМФ. Широкое применение нашли и используются при изготовлении карьерных экскаваторов стали с пределом текучести более 590 МПа марок 12ГН2МФАЮ и 12ГН2МФБАЮ, а также стали 14ХГН2МДАФБ и 12ГЗМФАЮДР с пределом текучести более 690 МПа.

В связи с необходимостью совершенствования высокопрочных сталей в начале 1980-х гг. по технологии, разработанной Б.Е. Патоном и Б.И. Медоваром, впервые в отечественной практике успешно осуществлен электрошлаковый переплав сталей с карбонитридным упрочнением. За счет этого содержание серы и фосфора в них были снижены до уровня 0,01 и 0,02 % соответственно. Хладостойкость таких сталей увеличилась в несколько раз. В результате этих работ появились модификации сталей 12ГН2МФАЮ и 12ГН2МФБАЮ марок 12ГН2МФАЮ-Ш и 12ГН2МФБАЮ-Ш.

Основные трудности, которые выявились с начала применения высокопрочных сталей в сварных конструкциях, были связаны с образованием в околошовной зоне и в шве холодных трещин, а также структур, резко снижающих сопротивляемость соединений хрупкому разрушению. Решение этой задачи усложнялось тем, что требуемые эксплуатационные и технологические свойства соединения должны обеспечиваться без термообработки после сварки. Было установлено, что склонность сварных соединений к образованию холодных трещин зависит от концентрации диффузионного водорода в шве и от условий его охлаждения. Основные технологические аспекты сварки высокопрочных сталей отражены в монографии, опубликованной под редакцией Б.Е. Патона в 1974 г.

Для автоматической сварки под флюсом высокопрочных сталей в ИЭС им. Е.О. Патона были разработаны плавленые флюсы марок АН-17, AH-17М и АН-43, а также проволоки сплошного сечения Св-08ХН2ГМЮ и Св-08ХН2Г2СМЮ. Несколькими годами позже, когда для высокопрочных сталей начала широко применяться механизированная сварка в CO2, а затем и в смеси газов на основе аргона, начали использовать эти же проволоки диаметром 1,2...2,0 мм. Кроме этого, для сварки в защитных газах были разработаны и освоены порошковые проволоки марок ПП-АН54, ПП-АН55 и ПП-АН57. Применительно к ручной дуговой сварке на монтаже созданы низководородные электроды марок АНП-1 и АНП-2.

В начале 1980-х гг. в промышленности нашли применение новые высокопрочные стали с повышенной хладостойкостью, рассчитанные на эксплуатацию в условиях Севера. Для их сварки создан ряд новых сварочных материалов: проволоки сплошного сечения марок Св-07ХНЗГМФТЮ и Св-10ХН2ГСМФТЮ, предназначенные для механизированной сварки в смеси газов и в CO2, и электроды серии АНП-7 (тип Э-70) и АНП-8, АНП-9, АНП-11 (тип Э-85) для сварки высокопрочных сталей повышенной хладостойкости с пределом текучести 590...690 МПа. Было достигнуто измельчение структуры и модифицирование наплавленного металла, глобулированы неметаллические включения. О том, что такие работы являются актуальными и в настоящее время, говорится в статье Б.Е. Патона «Современные направления повышения прочности и ресурса сварных конструкций».

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: