Анализ технологических особенностей сварки порошковой проволокой

Непрерывное удаление мест добычи углеводородов от мест основного и при этом растущего потребления является общемировой тенденцией. В связи с этим большое внимание уделяется вопросам повышения экономической эффективности и обеспечение высокого уровня безопасности передачи энергии на большие расстояния. Для газовой промышленности перспективным решением является развитие технологий трубопроводного транспорта на основе применения более высоких рабочих давлений за счет использования труб из сталей высокой прочности [1]. Задача создания высоконадежных высокопрочных труб потребовала развития научных подходов, разработки и использования самых совершенных технологий на всех этапах металлургического и трубного передела: от выплавки металлопроката до операций формовки, сварки, экспандирования трубной заготовки.

Одной из основных технологических операций при производстве электросварных труб большого диаметра является сварка. К сварным соединениям труб предъявляются различные требования в зависимости от условий эксплуатации, транспортируемой среды и т. д. Сварной шов состоит из основного и присадочного материала, при этом доля участия основного металла различна в зависимости от параметров разделки кромок под сварку и режимов сварки. Для получения качественного сварного соединения, отвечающего высоким требованиям заказчика, необходимо комплексное исследование процесса сварки, сварочных материалов, а также листового проката, используемого при производстве труб.

Анализ существующего рынка сварочных материалов показывает, что одним из перспективнейших материалов является порошковая проволока.

Порошковая проволока представляет собой непрерывный электрод трубчатой или другой более сложной конструкции (рис. 1) с порошкообразным наполнителем – сердечником. Сердечник состоит из смеси минералов, руд, ферросплавов металлических порошков и других материалов. Назначение различных составляющих сердечника – защита расплавленного металла от вредного влияния воздуха, раскисление, легирование металла, связывание азота в стойкие нитриды, стабилизация дугового разряда и т. д. Составляющие сердечника должны, кроме того, удовлетворять общепринятым требованиям, предъявляемым ко всем сварочным материалам: обеспечивать хорошее формирование швов, легкую отделимость шлаковой корки, минимальное разбрызгивание металла, отсутствие пор, трещин, шлаковых включений и других дефектов, определенные механические свойства сварных швов и т. д. [2].

В сердечник всех порошковых проволок с целью увеличения производительности сварки и придания благоприятных сварочно-технологических свойств вводят железный порошок.

По способу защиты порошковые проволоки делятся на два вида:

• 1)    самозащитные;

• 2)    для сварки с дополнительной защитой газом или флюсом.

Плавление и перенос металла при сварке порошковой проволокой имеют специфические особенности. Характеристики дуги при сварке порошковой проволокой существенно зависят от состава сердечника, который обладает низкой по сравнению с металлической оболочкой электропроводностью. По этой причине активное пятно дуги занимает не все сечение проволоки, а находится на оболочке или капле расплавленного металла. Сердечник плавится за счет излучения дуги и конвективного теплообмена с расплавленным металлом и разогретыми газами. В связи с этим при сварке порошковой проволокой плавление оболочки несколько опережает плавление сердечника. Отставание процесса плавления сердечника от плавления оболочки – нежелательное явление и вызывает ухудшение показателей сварки и снижение эффективности защиты металла от воздуха. Замедленное плавление сердечника затрудняет

Рис. 1. Конструкции порошковой проволоки

сварку короткой дугой, кроме того, частицы не-расплавившегося сердечника, попадая в сварочную ванну, засоряют металл шва шлаковыми включениями.

На соотношение плавления оболочки и сердечника существенное влияние оказывают режим сварки, конструкция проволоки и ее состав.

Влияние режима сварки на плавление порошковой проволоки приведено на рис. 2. На малом токе и напряжении дуги выступающая часть сердечника имеет форму близкую к цилиндрической (см. рис. 2, а). При увеличении тока ее длина увеличивается (см. рис. 2, б). С ростом напряжения отставание плавления сердечника также увеличивается, но под воздействием тепла столба дуги его выступающая часть приобретает коническую форму (см. рис. 2, в).

Кроме того, значительное влияние на характер плавления порошковой проволоки оказывает содержание металлических порошков в сердечнике. Чем больше содержится в сердечнике металлических порошков, тем меньше длина неоплавив-шейся части сердечника.

Параметры переноса металла изменяются в значительных пределах в зависимости от режима сварки, состава сердечника и других факторов. Установлено, что с увеличением тока и напряжения масса капель уменьшается.

В состав проволок, применяющихся для сварки в защитных газах и под слоем флюса, нет необходимости вводить газообразующие материалы, поскольку надежная защита расплавленного материала обеспечивается защитным газом или флюсом.

Первые промышленные образцы порошковой проволоки разработаны и опробованы еще в 1959– 1961 гг. Однако ввиду высокой трудоемкости их изготовления и, как следствие, высокой стоимостью, их применение во многих случаях было не-

а)

б)

в)

Рис. 2. Влияние режима сварки на плавление порошковой проволоки

Краткие сообщения

целесообразно [3]. В последние годы технология изготовления порошковой проволоки совершенствовалась, появилась серьезная конкуренция среди производителей проволоки, что благоприятно сказалось на ее цене, которая все же остается достаточно высокой по сравнению с проволокой сплошного сечения.

При сравнении порошковой проволоки с проволокой сплошного сечения, можно выделить ряд основных преимуществ первой:

• 1)    возможность достижения высоких показателей механических свойств сварного соединения (в частности, ударной вязкости) при низкой температуре;

• 2)    малая склонность к образованию трещин, особенно индуцированным водородом, в металле шва и сварном соединении;

• 3)    возможность точного микролегирования для обеспечения особых свойств металла сварного шва;

• 4)    высокие сварочно-технологические свойства;

• 5)    возможность осуществления сварки без дополнительной защиты;

• 6)    высокая производительность процесса сварки (особенно для проволок типа metal-core);

• 7)    малые потери на разбрызгивание;

• 8)    улучшенный характер переноса капель через дугу (более «спокойный» процесс).

Порошковая проволока является высокопроизводительным электродным материалом, позволяющим решать широкий круг задач, связанных с изготовлением сварных конструкций на современном уровне.

На сегодняшний день сварка порошковой проволокой широко применяется во многих странах мира и относится к наиболее перспективным дуговым процессам для соединения металлов, восстановления изделий или придания им необходимых свойств. Однако применяется она в основном при механизированной сварке в среде защитных газов или без газовой защиты (самозащитная порошковая проволока) [4].

Рассматривая трубную отрасль, можно отметить, что в последнее время порошковая проволока все чаще находит применение при сварке стыков магистральных газо- и нефтепроводов на трубосварочных базах и в полевых условиях на трассах.

Тенденция к повышению рабочего давления в газопроводах и ужесточение условий эксплуатации (строительство газопроводов в регионах с вечномерзлыми грунтами, глубоководных акваториях и сейсмоопасных районах) потребуют более широкого применения труб повышенной прочности (в перспективе до Х120), увеличения толщины их стенок до 50 мм и предъявления к трубам целого ряда специфических требований к деформационной способности, коррозионной стойкости, стойкости к протяженным разрушениям и др. Повышение прочности проката, достигающееся в основном за счет микролегирования и термомеханической контролируемой прокатки, и толщины проката, применяемого при производстве труб, вызывает определенные трудности при сварке, связанные с обеспечением требуемых механических характеристик в зоне термического влияния при отрицательных температурах.

Таким образом, одним из перспективнейших решений указанных задач является применение при производстве высокопрочных и толстостенных электросварных труб большого диаметра порошковой проволоки, обладающей рядом исключительных свойств, которые позволят повысить механические характеристики сварного соединения при отрицательных температурах.