Сварочная проволока с порошковым сердечником для широкого применения при строительстве судов и морских сооружений

Flux cored wires with expanding application in shipping and offshore industries / Kazuhiko Ito, Takeshi Hidaka // R&D Kobe steel engineering reports. 2009. 59. № 1. C. 98-104. Яп., огл. на англ.

Сварочная проволока с порошковым сердечником (ниже по тексту пользуются также сокращенным обозначением FCW) широко используется в различ­ных промышленных отраслях, и в первую очередь в судостроении и при строительстве морских сооруже­ний: ее применяют уже около 30 лет и считают необходимым сварочным материалом при сооруже­нии стальных конструкции. Доля порошковой прово­локи в общем объеме сварочных материалов непре­рывно увеличивается, несмотря на колебания экономической конъюнктуры (рис. 1). В количествен­ном выражении эта доля тоже растет, что указывает на высокую оценку производительности, технологичности, других характеристик порошковой проволоки и на активный переход при дуговой сварке от прежних электродов с покрытием к проволоке с порошковым сердечником. Параллельно с этим непрерывно продолжаются разработки, направленные на повышение характеристик и надежности порошко­вой проволоки. В результате этого были вновь подтверждены ее достоинства при использовании в судостроении и строительстве морских сооружений, что привело к ее более широкому применению в этой области. Фирма "Kobe Steel". Япония, продолжает удерживать "позицию №1" в растущем секторе производства порошковой сварочной проволоки. Основой для этого служит укрепление системы производства и сбыта, где необходимыми условиями являются непрерывная разработка новых продуктов, отвечающих потребностям рынка. а также сохранение и повышение качества в ответ на увеличение спроса.

В    публикации    рассматривают порошковую проволоку для сварки углеродистых сталей, широко приме­няемых      в      судостроении      и строительстве морских сооружений, знакомят с достоинствами продукции фирмы "Kobe Steel", которую считают "лучшей и единственной в своем роде.

Достоинства порошковой проволоки в судострое­нии и строительстве морских сооружений и направления разработок

Наиболее известная марка порошковой проволоки производства "Kobe Steel" — это DW-100 (с рутиловым сердечником), которая разработана уже около 30 лет. но до сих пор сохраняет высокую оценку благодаря удобству применения (при сварке как в нижнем положении, так и в потолочном положении горизонтальным, вертикальным швом), бездефектно­сти и высоким механическим свойствам наплавлен­ного металла, стабильности подачи проволочного электрода. При сварке крупногабаритных металлоконструкций и судовых корпусов, где свароч­ную проволоку подают на большие расстояния, даже при малой кривизне траектории надежность подачи проволоки имеет значение для устойчивого ведения сварки. Хорошая транспортируемость проволоки, да­леко превосходящая показатели продукции других фирм, обеспечивает высокую производительность сварки н сильно влияет на качество (бездефектность шва) благодаря стабильной величине сварочного тока. Высокий показатель транспортируемости явля­ется результатом применения оригинальной техноло­гии волочения, которая не требует операций отжига и травления, а также специальной технологии обра­ботки поверхности, которая позволяет обойтись минимальным количеством смазки при возможности ее равномерного распределения по поверхности.

Продукт МХ-200. коммерческое производство которого начато спустя приблизительно 10 лет после DW-100. — это проволока с металлическим порошко­вым сердечником, спроектированная и разработанная специально для судостроения, где высока доля свар­ных соединений угловым швом (около 70 %). Прово­лока МХ-200 получила высокую оценку благодаря чрезвычайно малому количеству газовых пор по сравнению с прежней универсальной ("всепозиционной". для сварки во всех пространственных положе­ниях) порошковой проволокой. Технические реше­ния, найденные при разработке специализированной проволоки МХ-200 для сварки угловым швом, впоследствии получили развитие при разработке спо­соба сварки TOP (twin tandem one pool — сдвоенная двухдуговая сварка в общую ванну) и специализированной порошковой проволоки МХ-200Н для такой сварки.

Одно из достоинств порошковой сварочной проволоки — высокая скорость плавления. По сравнению со сплошной проволокой при той же вели­чине сварочного тока плотность тока, который течет преимущественно по внешней оболочке, в порошко­вой проволоке выше, чем в проволоке сплошного сечения, н потому больше масса металла, расплавлен­ного в единицу времени. Разработан способ сварки, эффективно использующий эту особенность: это спо­соб электрогазовой автоматической сварки в вертикальном положении на подъем (разработка "Kobe Steel" имеет фирменное название SEGARC). Способ предназначен для соединения за один проход листов большой толщины и требует расплавления в единицу времени большой массы металла. Оптималь­ным сварочным материалом для него считают порошковую проволоку с большой производительно­стью наплавки. На фирме "Kobe Steel", учитывая требования к характеристикам шва и удобству применения, разработали и освоили производство сварочной проволоки DW-S43G, DW-S1LG и других марок специально для сварки способом SEGARC.

Комбинация        способа        SEGARC и специализированной порошковой проволоки повы­шает производительность наплавки приблизительно в 2.5 раза по сравнению со сваркой порошковой проволокой для сварки во всех положениях. Положи­тельно оценена также возможность не контролиро­вать температуру между проходами и отказаться от удаления шлака. Эта сварка применяется на многих судостроительных верфях в Японии и за рубежом, главным образом при выполнении вертикальных швов протяженностью 15-20 м в соединении наруж­ных листов обшивки корпуса.

Потребности рынка в судостроении и сооружении морских конструкций

Как отмечено выше, сварочную проволоку с порошковым сердечником применяют уже около 30 лет, но рынок требует ее непрерывного совершенствования. Иначе говоря, порошковая проволока уже утвердилась в качестве необходимого сварочного материала, и вместе с тем на неё возла­гают большие ожидания на новые разработки в этой области. Современные аспекты развития порошковой проволоки представляют собой следующие направле­ния: улучшение транспортируемости сварочной проволоки: повышение эффективности и скорости: применение последовательной многослойной сварки: повышение механических свойств: улучшение усло­вий начала возбуждения дуги: уменьшение разбрызгивания. выделение дыма: повышение стойкости к образованию пор: вопросы экологии сварки: качество и эффективность сварки. В этих условиях занялись разработкой сварочной проволоки на основе специального сырья с минимальным содержанием примесей и с привлечением методов управления структурой наплавленного металла. Разработали несколько марок порошковой прово­локи, обеспечивающей более высокую прочность и вязкость сварного шва при сохранении удовлетворительной технологичности. Это позволило дополнительно расширить область применения порошковой проволоки.

В последние годы разработка новых образцов и совершенствование известных продолжались, и ниже знакомят с новыми марками порошковой проволоки и образцами технологии сварки, которые положительно оценены потребителями.

Уменьшение выделения дыма и разбрызгивания

Участки сварки на судостроительных верфях и в цехах металлоконструкций всегда были типичными грязными, опасными рабочими участками. На фирме "Kobe Steel" приступили к разработке порошковой сварочной проволоки с малым выделением дыма и брызг, которая должна была улучшить рабочую среду при сварке. Приблизительно 10 лет назад на промыш­ленный рынок начали поставлять проволоку "серии Z", в которую вошли в частности марки DW-Z100 и MX-Z200. Эти разработки способствовали улучше­нию среды при сварке: выделение дыма было меньше приблизительно на 30 %. а разбрызгивание — на 25 %, и в те годы такой результат рассматривали как серьезный прорыв.

При разработке обратили внимание на содержание углерода в проволоке, приняли меры по ограничению его содержания в металле оболочки, по которой протекает сварочный ток. таким образом сумели уменьшить образование и взрывное расширение СО и СОт в капельно-жидком металле на конце электрода, снизить возможность образования дыма н брызг. Этот метод в дальнейшем послужил базовым и применен в порошковой проволоке всех марок. На промышленном рынке продукция фирмы привлекла внимание как "малодымная, с малым разбрызгива­нием" и заняла доминирующую позицию в секторе порошковой сварочной проволоки.

Сварочная проволока с высокими характеристиками при вертикальной сварке на подъем

Кроме универсальной порошковой проволоки DW-100 разработали проволоку DW-100V. в большей степени ориентированную на сварку в вертикальном положении.

В настоящее время предъявляют еше более высо­кие требования к удобству применения и отделения шлаковой корки при вертикальной сварке на подъем.

Этим требованиям в наибольшей степени соответст­вует проволока New DW-100V. которая создана на базе известной DW-100V. отличается повышенной вязкостью наплавленного металла и лучшим шлако­вым режимом и позволяет резко улучшить характеристики вертикальной сварки на подъем. Эта проволока обеспечивает отсутствие стекания свароч­ной ванны и высокое качество шва при сварке с высо­кими сварочными токами (порядка 280 А) даже при большом зазоре между свариваемыми кромками, что прежде считали невозможным. Кроме того, даже при вертикальной сварке с поперечными перемещением электрода, был получен наплавленный валик с глад­кой поверхностью, хорошим прилеганием к сваривае­мым деталям, при катете шва порядка 9 мм. Таким образом, проволока New DW-100V обеспечила весьма высокую производительность и удобство выполнения сварки. Прежде для выполнения угло­вого шва с большим катетом требовался механизм поперечного перемещения электрода. При сварке проволокой New DW-100V необходимость в функции поперечного перемещения отпала, и стало возмож­ным применение относительно простых и недорогих сварочных аппаратов.

При наличии таких преимуществ стало возможно снизить затраты на оборудование, повысить производительность, увеличить число одновременно действующих сварочных агрегатов при малой трудоемкости контроля за сваркой и в конечном итоге получить значительную выгоду. При всем этом улучшилось отделение шлака, сократились затраты времени на очистку шва после сварки.

Порошковая проволока для электрогазовой сварки сверхтолстых листов

Способ SEGARC электрогазовой сварки отлича­ется высокой производительностью и надежностью характеристик наплавленного металла: он применя­ется для вертикальной сварки в судостроении, при сооружении резервуаров и других объектов.

В последние годы по мере увеличения грузоподъемности судов-контейнеровозов (вместимо­стью 10 тыс. единиц) в отдельных секциях корпуса судна. стали применять сверхтолстые стальные листы максимальной толщиной 80 мм. Увеличение толщины листов потребовало соответствующего увеличения массы металла, расплавляемого при сварке в единицу времени, и на фирме "Kobe Steel" сконструировали двухэлектродную установку для сварки по способу SEGARC. Для нее разработали по­рошковую сварочную проволоку двух марок: DW-S50GTF (для наружной стороны стального листа) и DW-S50GTR (для внутренней стороны листа). При двухэлектродной сварке способом SEGARC даже с большой погонной энергией порядка 50 кДж/мм ста­бильно достигаются высокая прочность наплавлен­ного металла на уровне не ниже прочности основного и высокая стойкость к ударным нагрузкам. Главное достоинство сконструированной двухэлектродной установки состоит в том. что ее легко изготовить незначительной реконструкцией уже используемой одноэлектродной: необходимо добавить только узел второго электрода с тыльной стороны свариваемых листов, т. е. при разработке учли аспект затрат на оборудование.

Повышение прочности судовых корпусов застав­ляет увеличивать толщину листов обшивки, но вме­сте с тем в интересах уменьшения массы корпуса тол­щину листов стремятся уменьшить, применяя высокопрочные стали. Прежде широко применяли листы с пределом текучести класса 390 МПа. но позд­нее разработали и начали использовать новую толсто­листовую сталь класса 460 МПа. Применение высоко­прочной стали сопровождалось изменением конструкции судовых корпусов, и в ответ фирма оперативно разработала новую порошковую прово­локу DW-S460LG для сварки по способу SEGARC на одноэлектродной установке .

При сварке проволокой DW-S460LG даже с высо­кой погонной энергией наплавленный металл имеет прочность при растяжении не ниже прочности основ­ного металла и проявляет высокую динамическую прочность и вязкость разрушения. При этом сохраня­ются высокая технологичность, свойственная преж­ним маркам порошковой проволоки, и удобство практического использования (табл. 1).

ТАБЛИЦА 1. ТИПИЧНЫЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ПРОВОЛОКОЙ DW-S460LG

Порошковая проволока высокой вязкости, пригодная для сварки с последующей термообработкой

При сварке прежней порошковой проволокой с рутиловым сердечником в случае термообработки изделия после сварки Nb. V и другие примеси обра­зуют карбиды, приводят к повышению твердости (дисперсионное упрочнение) и снижению вязкости. Это послужило одной из причин, препятствующих применению порошковой проволоки для сварки изде­лий, требующих термообработки. Как показано на рис. 2. вязкость наплавленного металла как в состоя­нии после сварки, так и после термообработки, тем выше, чем меньше содержание ниобия и ванадия. Тот факт, что при пониженном содержании Nb. V повы­шена вязкость в состоянии после сварки, объясняется главным образом выделением карбидов Nb. V на уча­стке повторного нагрева наплавленного металла. Примеси содержатся в оксиде титана, который необходим для обеспечения удовлетворительных сварочно-технологнческих характеристик, и прежде считалось невозможной разработка специальной проволоки для сварки с удовлетворительной техноло­гичностью с возможностью последующей термообра­ботки.

Чтобы ослабить охрупчнвание. связанное с термической обработкой (дисперсионное упрочнение, отпускная хрупкость), применили уже известные ме­тоды измельчения кристаллического зерна и оптимизации состава легирующих, а в дополнение к ним применили специальное сырье с минимизирован­ным содержанием ниобия и ванадия, и достигли повышения вязкости, отвечающего задаче термообра­ботки после сварки. Все эти приемы и дополнитель­ные меры улучшения технологичности завершились разработкой и промышленным производством порошковой проволоки марок DW-55LSR и DW-A55LSR. которые успешно применили при сварке металлоконструкции морских сооружений. На рис. 3 показаны результаты испытания на ударную вязкость наплавленного металла при сварке проволокой DW-55LSR: по сравнению с прежними образцами порошковой проволоки вязкость при низких температурах в состоянии после сварки и после термообработки оказалась более высокой, на уровне порядка -60 °С. Кроме того, стабилизировался на бо­лее высоком уровне показатель CTOD. который у прежних марок порошковой проволоки был неустой­чив (табл. 2). и новый продукт продвинулся в область сварки морских конструкций. где вязкости разрушения придают особое значение.

ТАБЛИЦА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ НА ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ (CTOD) НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПРОВОЛОКОЙ DW-55LSR

Порошковая проволока с высокой вязкостью разрушения

При сооружении морских металлоконструкций с 90-х годов применяли стали с пределом текучести класса 460 МПа. Впоследствии при строительстве оснований и несущих опор нефтедобывающих плат­форм использовались материалы более высокой прочности, в частности, в Европе применили сталь класса 500 МПа. Был изучен вопрос ограниченного применения стали с пределом текучести 550 МПа. н в этих условиях потребовались сварочные материалы более высокой прочности и вязкости. В ответ на выдвигаемые требования на фирме занялись повыше­нием вязкости разрушения. Для этого, стараясь сохра­нить высокую технологичность как достоинство проволоки DW, приняли меры к измельчению микро­структуры на основе комбинированной добавки Ti-B. повышению прочности и вязкости матрицы сплава добавкой Ni, а также меры регулирования формы включений в стали.

При сварке высокопрочных сталей усиливается склонность к низкотемпературному растрескиванию, и возникает необходимость снижать содержание диффузионноепособного водорода. В порошковой проволоке с высокой вязкостью разрушения содержа­ние такого водорода ограничено более низким уров­нем, чем у прежних марок, и достигнута высокая стойкость к растрескиванию.

Таким образом, удалось разработать порошковую сварочную проволоку с высокой технологичностью и производительностью сварки. обеспечивающую высокую вязкость разрушения сварного шва. Тем са­мым "Kobe Steel" прежде других предложила порошковую проволоку для сварки морских металлоконструкций с жесткими требованиями. Высокую оценку потребителей получила также стабильность качества порошковой проволоки, кото­рая уже давно и в больших объемах используется в судостроении и при сооружении морских металлоконструкций.

Базы производства порошковой проволоки "Kobe Steel" существуют не только внутри страны, но также в Южной Корее и Нидерландах, а в 2009 г. такая база создана и в Китае. Такое развертывание производства способствует устойчивому росту объема продаж продукции фирмы на зарубежных рынках, включая азиатский, европейский и американский.