Развитие технологии многодуговой сварки трубных сталей

Бурное развитие сварочной техники в Советском Союзе началось в 30-x гг. прошлого века и продолжается сейчас в России непрерывными темпами. Россия, бесспорно, занимает одно из ведущих мест по объему применений и техническому совершенству сварки. В середине XX в. многодуговая сварка была развита и усовершенствована советскими инженерами и учеными и имела широкое применение при индустриализации Советского Союза, особенно в машиностроении и в строительстве.

Многодуговая сварка под флюсом в ее совершенном виде была широко разработана в теоретическом и практическом плане Е.О. Патоном и руководимым им коллективом Института электросварки Академии наук УССР, а также сотрудни- ками ЦНИИТМАШ, завода «Электрик» и ряда других институтов и передовых заводов.

Хронологию развития отечественных и зарубежных трубных сталей хорошо демонстрируют схемы, представленные на рис. 1. Концепция разработки трубных сталей предусматривает снижение содержание углерода; повышение чистоты металла по вредным примесям ( S ≤ 0,001 %, P ≤ 0,010); рациональное микролегирование; термомеханическую прокатку [1, 2]; снижение дефектности сварных швов [3]; повышение стойкости сварных труб против лавинных разрушений [4]; снижение остаточных сварочных напряжений [5].

Трубы класса прочности Х70 за рубежом применялись с 1970-х гг. во многих проектах и показали хорошие эксплуатационные свойства.

1950 1960 1970 1980 1» 2000 2010 Г@ды

б)

Рис. 1. Разработка высокопрочных трубных сталей за рубежом (а), в России (б) [1, 2]

а)

Уланов А.М., Иванов М.А.

В России им примерно соответствуют стали класса прочности К60. Дальнейшим развитием является разработка труб класса прочности Х80, которые впервые были использованы за рубежом в середине 80-х гг. ХХ в. для строительства опытных участков трубопроводов. В середине 90-х гг. ХХ в. за рубежом были разработаны и началось апробирование труб класса прочности Х100 для строительства трубопроводов. В последнее десятилетие выдвинуты требования по повышению прочности труб до Х120.

В России в рамках проекта «Магистраль» разработаны трубные стали класса прочности Х80– Х100 марганцевой композиции легирования с небольшими добавками никеля, меди и молибдена, микролегирования титаном, ванадием и ниобием [6–9], отвечающие всем требованиям зарубежной нормативно-технической документации.

В целях улучшения свариваемости трубные стали класса прочности Х80–Х90 содержат менее 0,10 % углерода; 1,7–1,9 % марганца; до 0,5 % меди, молибдена и никеля; не более 0,12 % микролегирующих элементов, таких как ванадий, ниобий, титан.

Мощная закрытая флюсом дуга глубоко расплавляет основной металл, позволяет уменьшить разделку кромок под сварку, а также снижается доля участия электродного металла в образовании шва: в среднем наплавленный металл образуется на 2/3 за счет расплавления основного металла и лишь на 1/3 за счет электродного [10].

В России в 80-е гг. Челябинский трубопрокатный завод занимался исследованием трехдуговой сварки пластин из стали 17Г1С размерами 600 х 400 х 15,2 мм [11]. Применялась проволока СВ-08ГА диаметром 4 мм и флюс АН-60. Ток на трех дугах – соответственно 1300, 1200 и 1100 А; охлаждение водяное.

На Украине, в Академии наук [12] проводили исследования влияния термического цикла однодуговой и двухдуговой сварки в СО 2 на стойкость высоколегированной стали против образования холодных трещин.

Установлено, что термический цикл сварки существенно влияет на стойкость закаливающихся сталей против образования холодных трещин. При замедленном охлаждении сварных соединений в области температур превращения аустенита вероятность образования холодных трещин в зоне термического влияния значительно снижается. Было отмечено, что двухдуговая сварка в СО 2 обеспечивает благоприятную структуру сварного соединения при сварке стали 20ХГСНМ проволокой СВ-08ГСМТ при расстоянии между дугами 100 мм.

С целью увеличения скорости сварки продольных швов применяется многодуговая сварка под флюсом с использованием до пяти электродов. Это достигается комбинацией в сварочной ванне более одного электрода, что дает увеличение производительности по сравнению с однодуговой сваркой до пяти раз [13].

Ключевым свойством многодуговой сварки является получение швов без пористости и подрезов, с возможностью контроля формы шва при высокой силе сварочного тока и скорости сварки [14]. При этом используется комбинация с источником постоянного тока на первой дуге (DC) и переменного тока на остальных (AC) – комбинации DC–AC–AC–AC–AC, DC–AC–AC–AC. Подключение к ведущему электроду источника постоянного тока позволяет добиться увеличения проплавления при прочих равных условиях по сравнению с источником переменного тока. Также благодаря использованию данной комбинации источников происходит снижение погонной энергии для одной и той же толщины стенки, что становится особенно заметно при больших толщинах (рис. 2, а) [15].

Увеличение количества дуг позволяет снизить погонную энергию, что видно из рис. 2, б, на котором сравнивается сварка тремя и четырьмя электродами [15].

Таким образом, эволюционное увеличение количества дуг при многодуговой сварке оправда-

а)

Рис. 2. Влияние источника постоянного тока на погонную энергию [15] (а); погонная энергия при трех- и четырехдуговой сварке [15] (б)

Толщина стенки, мм

б)

но повышением производительности труда, скорости сварки, улучшением качества сварного шва.