Сварка

Самозащитные порошковые проволоки для механизированной сварки под водой

Механизированная сварка под водой самозащитными порошковыми проволоками специального состава сочетает в себе положительные качества ручной дуговой сварки под водой покрытым электродом (маневренность и универсальность дугового процесса) с преимуществами ранее разработанного мокрого способа подводной механизированной сварки электродными проволоками сплошного сечения (высокую производительность, удобство работы, безопасность водолаза и др.). Основным элементом технологического процесса является самозащитная порошковая проволока. Ее конструкция и технологические особенности изготовления позволяют поместить проволоку в полость подающего механизма полуавтомата, заполненного водой. Отпадает необходимость в подаче защитного газа в зону горения дуги и внутреннюю полость полуавтомата. За счет уменьшения объема газовой фазы и взвесей в реакционной зоне повышается возможность визуального контроля процесса горения дуги и формирования металла шва, в особенности при сварке в потолочном положении. Сварка этим способом может выполняться водолазом-сварщиком средней квалификации и обеспечивает получение равнопрочных соединений низкоуглеродистых и ряда низколегированных сталей в пресной и морской воде. Кроме того, этот способ обладает рядом преимуществ:

К недостаткам процесса мокрой сварки самозащитными порошковыми проволоками и покрытым электродом, можно отнести резкое охлаждение металла сварного соединения в воде и значительное насыщение его водородом и кислородом.

В 1967 г. группой сотрудников под руководством Савича И. М. разработана порошковая проволока ППС АН1. Исследования, предшествующие разработке, проходили по следующим направлениям.

На первом этапе были опробованы при сварке под водой проволоки сплошного сечения с различной системой легирования. Акцент делался на самозащитные проволоки, разработанные Т. М. Слуцкой. Сварка выполнялась как с защитой зоны горения дуги углекислым газом и аргоном, так и без защиты. Положительных результатов в этом направлении достигнуто не было.

На следующем этапе исследований реакционную зону защищали с использованием разработанных для сварки на воздухе флюсов. В этом направлении были получены обнадеживающие результаты. Однако применение флюсов при сварке под водой связано с целым рядом проблем. В первую очередь это проблемы, возникающие при сварке в положениях, отличных от нижнего, когда затруднительно подать флюс в реакционную зону. Кроме того, при использовании этой технологии практически полностью отсутствует видимость дуги и кромок свариваемого металла. Получить качественное сварное соединение можно только в автоматическом режиме. Такой процесс, применительно к технологическим возможностям сварки под водой, мало востребован.

Идея о применении самозащитной порошковой проволоки для сварки под водой принадлежит Б. Е. Патону. Использование самозащитных порошковых проволок, разработанных в тот период для сварки на воздухе, в подводных условиях положительных результатов не дало.

В дальнейшем были проведены исследования, позволившие разработать оригинальный состав шихты порошковой проволоки и технологический процесс ее изготовления, обеспечивший герметичность замка. Это дало возможность поместить порошковую проволоку в погружном узле полуавтомата, заполненного водой и упростить его конструкцию. Отпала необходимость в подаче газа в погружной узел. Проволока рутил-руднокислого вида марки ППС-АН1, обеспечивала сварку в пресной воде на глубине до 20 м ряда малоуглеродистых и низколегированных сталей. Металл шва легировался марганцем. Химический состав свариваемого металла и металла шва приведены в табл. 2.

Таблица 2. Химический состав металла швов при сварке под водой порошковой проволокой ППС-АН1

Марка сталиМассовая доля элементов, %
CSiMnNiCuCrSP
Ст3сп0,180,210,550,040,010,060,0430,021
09Г2С0,180,210,550,040,010,060,0430,021
10ХСНД0,180,210,550,040,010,060,0430,021
А36 США0,180,210,550,040,010,060,0430,021
    Примечание:
  1. Сварные соединения выполнены на глубине 2 м в пресной воде.
  2. Верхняя строка - основной металл; нижняя - шов.

Информация о механических свойствах сварных соединений полученных при сварке под водой проволокой ППС-АН1 различна. Увеличение глубины выполнения работ оказывало отрицательное влияние на механические свойства соединений. Формирование ухудшалось. При сварке на глубинах более 30 м металл шва в изломе становился крупнозернистый. Шлак местами затекал перед дугой и оставался в корне. Ухудшение формирования и снижение механических свойств соединений наблюдалось и при сварке в соленой воде. Механические свойства сварных соединений, полученные в различных условиях, сведены в таблицах 3 и 4. Стыковые соединения, механические свойства которых приведены в таблице 4, выполнялись в условиях лаборатории на глубине - 2 м. Исследования выполнялись согласно методике Американского Национального стандарта по подводной сварке ANSI/AWS D3.6-89.

Таблица 3. Механические свойства сварных соединений, полученных при сварке под водой проволокой ППС-АН1

Марка сталиσв, МПаσт, МПаδ5, %δ5, %КСU, Дж/см
20°С-40°С
Ст3сп411/394336/32331,5/8,366,1/12,2105/5830/7
09Г2С411/394336/32331,5/8,366,1/12,2105/5830/7
10ХСНД411/394336/32331,5/8,366,1/12,2105/5830/7
    Примечание:
  1. Приведены средние результаты испытаний трех образцов. В числителе - при сварке в пресной воде, в знаменателе - в воде соленостью 15‰.

Таблица 4. Механические свойства соединений, полученные в ИЭС, при использовании проволоки ППС-АН1

Марка сталиσв, МПаKCV, Дж/см²Угол загиба, град.
ШовЗТВКореньЛицевая сторона
0°С-20°С0°С-20°С
Ст3сп382,3-411,4/39914-16/15,34-12/727-47/359-32/23,655, 6548, 95
Ст3сп382-433/415,135-65/49,320-46/3035-105/75,315-35/25180, 180, 70, 6830, 40
А-36433,9-446,1/439,3н. о.7-26/18,5н. о.н. о.180,180180,180

Проволока ППС-АН5 рутил-органического вида с системой легирования Mn-Ni-Ce была предназначена для сварки малоуглеродистых и ряда низколегированных сталей (Сэк до 0,39) на глубине до 20 м в пресной и морской воде. Технология ее изготовления обеспечивала получение герметичного замка, препятствующего попаданию воды внутрь проволоки. Это позволило использовать сварочное оборудование, рассчитанное на применение порошковой проволоки ППС-АН1. Химический состав свариваемых сталей и металла швов приведен в табл. 5. Механические свойства сварных соединений, полученных в условиях сварки в пресной воде на глубине до 10 м, приведены в табл. 6.

Таблица 5. Химический состав основного металла и металла шва при сварке под водой порошковой проволокой ППС-АН5

Марка сталиМассовая доля элементов, %
CSiMnNiCuCrSP
Ст3сп0,230,210,650,040,01н.о.0,0360,021
0,030,030,121,4н.о.0,020,0260,015
09Г20,110,41,40,030,050,120,0140,026
0,030,030,151,40,030,080,0190,025
09Г2С0,100,71,50,050,040,060,0180,024
0,030,040,171,40,030,050,0200,023
10ХСНД0,080,650,530,570,390,590,0320,024
0,020,020,091,650,120,080,0210,017
19Г0,200,230,860,040,040,030,0280,027
0,020,040,111,430,030,020,0260,025
14Г20,160,211,290,030,030,040,0270,029
0,020,030,121,480,040,030,0250,027
А36 США0,230,220,970,05н. о.н. о.0,0120,014
0,030,030,111,5н. о.н. о.0,0230,013
    Примечание:
  1. Верхняя строка - основной металл, нижняя - шов; глубина 2 м, вода пресная.

Таблица 6. Механические свойства соединений, полученных при сварке под водой самозащитной порошковой проволокой ППС-АН5

Марка сталиσв, МПаσт, МПаКСV -20°С, Дж/смУгол загиба, град.
Ст3сп420…440320...34030...45180
09Г2420...450320...35030...50180
09Г2С420...450320...35030...45160
10ХСНД430...450330...36030...55140
19Г420...450320...35030...45180
14Г2420...450320...36035...50160
А36 США420...450320...35030...50180
    Примечание:
  1. Глубина - 2 м, вода пресная.
  2. Испытания сварных соединений выполнены в соответствии с требованиями к классу "В" ANSI/AWS D3.6-89.

С увеличением глубины, на которой выполнялась сварка, механические свойства соединений полученных с использованием самозащитной порошковой проволоки ППС-АН5 незначительно изменяются. В первую очередь снижаются пластические свойства (относительное удлинение), и уменьшается разница в показателях предела прочности и предела текучести. Механические свойства соединений, полученных в бассейне на глубине 2 м и глубоководной шахте на глубине 15 м, приведены в таблице 7.

Таблица 7. Механические свойства соединений, полученные на различной глубине с применением порошковой проволоки ППС-АН5

Глубина, мМарка сталиσв, МПаσв, МПаδ5, %КСU, Дж/см
2Ст3сп44232815,224
10ХСНД46634314,135
15Ст3сп44033513,325
10ХСНД45835213,031
    Примечание:
  1. Приведены средние показатели после испытаний трех образцов.

Существенный интерес представляют данные, полученные независимыми исследователями при испытаниях сварочных материалов в условиях заказчика. Такая оценка была проведена в 1990 г. Проволока ППС-АН5, выпущенная серийно в Экспериментальном производстве (ЭП) ИЭС, оборудование и технологический процесс прошли апробацию в бассейне фирмы "Rocvoter" США. На глубине 10 м были сварены два комплекта образцов из стали - А-36, А-516-70 (лист) и А-106 (труба). В комплект, согласно спецификации AWS/D3.6-89, входили:

Зачистка образцов осуществлялась под водой с использованием абразивного инструмента. Источником питания дуги служил дизель-генератор фирмы "Lincoln" с жесткой внешней вольтамперной характеристикой. Общая длина сварочной цепи сечением 70 мм2 составляла 120 м. Электрические параметры дугового процесса формировались в рамках рекомендуемых для данного типа проволоки и положения шва в пространстве. Для сварки использовался полуавтомат А1660, размещенный под водой на все время проведения испытаний. Обслуживание полуавтомата (замена порошковой проволоки, контактного наконечника и регулировки) осуществлялось без его подъема на поверхность. Сварку выполняли водолазы И. Дорош (обозначение образцов I. D.) и В. Кононенко (V. K.).

Оценка механических свойств полученных сварных соединений проводилась независимой лабораторией "Mechnical Testing Laboratory" (США), в соответствии с требованиями AWS/D3.6-89. Результаты испытаний сведены в таблицах 8 - 12. Состав металла шва приведен в таблице 13.

Анализ приведенных в таблицах 8 - 12 данных показывает, что механические свойства сварных соединений, такие как предел прочности и ударная вязкость, соответствуют показателям, полученным в условиях ИЭС. При сварке в США наблюдается снижение показателей угла загиба и относительного удлинения металла шва. Анализ данных, приведенных в табл. 5.13, показывает, что массовая доля легирующих элементов в металле швов, полученных в условиях США, аналогична показателям, зарегистрированным при сварке в ИЭС.

Полученные результаты позволяют получить аттестацию технологии и порошковой проволоки по классу "В", согласно требованиям спецификации AWS D3.6-89.

Таблица 8. Химический состав металла сварных образцов

Марка сталиМассовая доля элементов, %
CSiMnSP
А-36 лист 12,7(1/2")0,250,210,650,090,010
А-516-70 лист 25,4(1")0,240,231,120,0270,012
А-106-В труба 304,8(12")0,180,220,600,0030,015
    Примечание:
  1. массовая доля никеля, хрома, молибдена и ванадия в металле не превышает 0,05% каждого.

Таблица 9. Результаты механических испытаний на разрыв плоских образцов, вырезанных из стыка трубы

Обозначение образцаσв, МПа (PSI)
VK-1G-18, Т-1464,1 (67,366)
VK-1G-18, Т-2480,7 (69,766)
ID-1G-19, Т-1463,9 (67,343)
ID-1G-19, Т-2468,4 (67,997)

Таблица 10. Результаты механических испытаний металла шва и ЗТВ на ударный изгиб

Место испытанияKCV, Дж/см²Деформация сдвига, %
ШовШов 134,120
Шов 219,920
Шов 331,330
Средний показатель28,423,3
ЗТВЗТВ 145,420
ЗТВ 222,710
ЗТВ 338,310
Средний показатель35,513,3
    Примечание:
  1. температура испытаний минус 20°С.

Таблица 11. Результаты испытаний образцов на изгиб

Наименование образцаТип изгибаРадиус гибаРезультаты
VК-В-3ВнешнийНеровный
ОбратныйТрещины поперек образца
VК-В-4ВнешнийУдовлетворительно
ОбратныйТрещины > 9,5 (3/8")
ID-В-8ВнешнийПрерывистая линия оплавления
ОбратныйПоперечный разрыв
ID-В-11ВнешнийПоперечный разрыв
ОбратныйПрерывистая линия оплавления
VК-В-16Внешний63,5 (2,5")Поперечный разрыв
Обратный63,5 (2,5")Поперечный разрыв
ID-В-17ВнешнийУдовлетворительно
ОбратныйВолосовидные надрывы > 9,5 (3/8")
VК-1G-18Внешний63,5 (2,5")Удовлетворительно
ВнешнийНадрывы > 9,5 (3/8")
Обратный63,5 (2,5")Поперечный разрыв
ОбратныйУдовлетворительно
ID-G-19ВнешнийПоперечный разрыв
ВнешнийОдин угловой разрыв 6,4 (¼")
ОбратныйУдовлетворительно
ОбратныйПоперечный разрыв 12,7 (½")
    Примечание:
  1. Т - толщина металла образца, подвергаемого изгибу.

Таблица 12. Результаты испытаний металла сварного шва на разрыв

Наименованиеσв, МПа (Р.S.I)σв, МПа (Р.S.I)δ5, %
I.D. 1G-20417,73 (60,629)454,29 (65,934)12,2
V.K. 1G-21361,97 (52,535)433,42 (62,905)15,2
V.K. 1G-21417,73 (60,629)433,30 (62,889)17,0

Таблица 13. Состав металла шва при сварке под водой порошковой проволокой ППС-АН5

Массовая доля элементов в металле шва, %
CSiMnNiCuSP
0,0200,0100,121,50,100,0280,013
0,0300,0130,091,40,080,0260,015
    Примечание:
  1. Содержание хрома и молибдена не более 0,02 %;
  2. Верхняя строка - состав металла шва, полученного при сварке в США, нижняя - в ИЭС.

С 1991 г. в лабораторных условиях ИЭС в соответствии с ТУ выпускается порошковая проволока марки ППС-АН2 (модификация ППС-АН1). Проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при сварке на глубине до 20 м в случае, если коэффициент ее заполнения 32%. Получить герметичный замок при таком коэффициенте заполнения затруднительно. Механические свойства металла швов, получаемых при использовании этой проволоки приведены в табл.14.

Таблица 14. Механические свойства соединений, полученные при сварке порошковой проволокой ППС-АН2

Марка сталиσв, МПаσт, МПаКСV, 20°С Дж/см²Угол, град.
ВСт3сп420…450320…34035…45180
09Г2430…460330…35040…50180
10ХСНД440…470340…36040…50180
А36420…460320…35040…50180

В 1997 г. сотрудники фирмы "Экотехнология" разработали самозащитную порошковую проволоку ППС-ЭК1 для механизированной подводной сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей типа Ст3сп, 09Г2 на глубине до 20 м. Механические свойства соединений, полученных сваркой под водой с применением этой проволоки, приведены в табл. 15. Проволока серийно производится на ОЗСМ ИЭС по ТУУ 14288312.003-97, имеет сертификацию УкрСЕПРО и поставлялась для выполнения подводно-технических работ при ремонте портовых сооружений и судов на плаву в Балтийском море и нефтедобывающих оснований в Каспийском море. Проволока обеспечивает устойчивое формирование шва в потолочном положении, что позволило выполнить сварку под водой сухих кессонов ледостойкой нефтедобывающей платформы "Приразломная" (1800 м шва в потолочном положении). Проволоку ППС-ЭК1 можно применять взамен проволок ППС-АН1, ППС-АН5 и ППС-АН2.

Таблица 15. Механические свойства металла швов, выполненных порошковой проволокой ППС-ЭК1

Марка проволокиσв, МПаσт, МПаδ5, %КСV, –20°С Дж/см²Угол, град.
ППС-ЭК1≥ 420300…36014…18≥ 25180
    Примечание:
  1. Угол загиба определялся согласно методике, изложенной в ANSI / AWS D3.6M к класу "В".
  2. Основной металл - сталь Ст3 сп толщиной 14 мм. 3. Глубина выполнения сварки - 4 м, вода речная.

Структуры металла швов, выполненных порошковыми проволоками ППС-АН1, ППС-АН5, ППС-АН2 и ППС-ЭК1 близки. Основная составляющая всех швов - феррит. Содержание в металле швов других структурных составляющих (бейнита и перлита) зависит от режимов сварки, глубины выполнения работ и солености воды.

Коррозионные испытания сварных соединений низкоуглеродистых и ряда низколегированных сталей, выполненных с помощью самозащитных порошковых проволок ППС-АН1 и ППС-АН5 показали, что скорость коррозии металла шва и ЗТВ не выше, чем у основного металла.

Исследована стойкость сварных соединений, полученных в условиях мокрой сварки под водой с использованием самозащитных порошковых проволок ППС-АН1 и ППС-АН5, к образованию горячих трещин. Исследования проводились с применением методики качественных характеристик оценки стойкости соединений к образованию горячих трещин на образцах переменной жесткости и крестовых пробах. Установлено, что швы, выполненные под водой порошковыми проволоками ППС-АН1 и ППС-АН5 не склонны к образованию горячих трещин в рекомендованном диапазоне режимов сварки. Эта тенденция распространяется и на самозащитные порошковые проволоки ППС-АН2 и ППС-ЭК1.

Все вышеперечисленные порошковые проволоки предназначены для сварки низкоуглеродистых и ряда низколегированных сталей, таких как 09Г2, 09Г2С, 19Г и др., имеющих углеродный эквивалент не выше 0,39. При сварке сталей, имеющих более высокие значения углеродного эквивалента вышеперечисленными порошковыми проволоками, в ЗТВ могут образовываться закалочные структуры и холодные трещины. Для получения бездефектных соединений этих сталей группой сотрудников лаборатории подводной сварки ИЭС, под руководством А. А. Игнатушенко, были созданы порошковые проволоки, обеспечивавшие получение металла шва с глубокоаустенитной структурой. В качестве оболочки самозащитных порошковых проволок использовалась никелевая лента. Они обеспечивали сварку под водой во всех пространственных положениях ряда корпусных и трубных сталей с углеродным эквивалентом до 0,43. Проволоки выпускалась малыми партиями в лабораторных условиях. В производственных условиях (п. г. т. Черноморское) на глубине 10 м с помощью такой проволоки был сварен неповоротный трубный образец, выдержавший испытательное давление 20 МПа. Кроме этого были разработаны макетные образцы порошковых проволок, обеспечивавших сварку на глубинах до 1200 м.

Анализ данных, представленных в табл. 2 - 15 показывает, что даже при несложном легировании, металл шва имеет достаточно высокий уровень прочности и пластичности, а ударная вязкость при отрицательных температурах в целом ряде сварных соединений выше ударной вязкости основного металла. Разница значений прочностных показателей не препятствует широкому использованию сварки под водой самозащитными порошковыми проволоками в ремонтных целях, поскольку конструктивная прочность восстанавливаемых сваркой гидротехнических сооружений и корабельных конструкций является достаточной. Об этом свидетельствует многолетний опыт эксплуатации различных объектов после их ремонта с применением механизированной сварки с использованием порошковых проволок.