Технические новинки Vol.16

Сварочные материалы для газовольфрамовой дуговой сварки TIG высокопрочных сталей 490 МPа

1. Предисловие

Таблица 1: Список электродов для сварки TIG высоколегированных сталей 490 MPa

Наименование товара	AWS A5.18	ASME F-No.	ASME A-No.
TG-S50	ER70S-G	6	1
TG-S51T	ER70S-6	6	1
NO65G	ER70S-2	6	1
TG-S70S2*	ER70S-2	6	1
TG-S70S3*	ER70S-3	6	1
Note: *= New Product

Высокопрочные стали 490 MPa широко применяются в разных отраслях индустрии. Для эффективности и простоты сварочного процесса обычно используют методы дуговой сварки металлическим электродом в газовой среде (GMAW) или дуговой сварки флюсовым электродом (FCAW), но для корневых (односторонних) швов при соединении труб, где вышеупомянутые методы с высокой степенью наплавки являются проблематичными, применяют метод газовольфрамовой дуговой сварки (GTAW) во всех пространственных положениях. Метод GTAW также подходит для сварки таких сложных узлов как трубы и фланцы на химических предприятиях, так как он дает наплавленный металл с крайне низким содержанием кислорода, что позволяет обеспечить отличную чистоту и высокое качество швов.

Таблица 2: Спецификации AWS A 5.18 по химическому составу электродов для сварки TIG (% массы)

Классификация	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Cu	Ti	Zr	Al
ER70S-2	0.07	0.40-0.70	0.90-1.40	0.025	0.035	0.15	0.15	0.15	0.03	0.50	0.05-0.15	0.02-0.12	0.05-0.15
ER70S-3	0.06-0.15	0.45-0.75									-	-	-
ER70S-6		0.80-1.15	1.40-1.85								-	-	-
ER70S-G	(not specified)
Примечание: отдельные значения являются максимальными

Таблица 3: Спецификации AWS A 5.18 по механическим свойствам наплавленного металла

Классификация	Tension test			ударное испытание
	TS (MPa)	YS (MPa)	EI (%)	темп-ра испытаний (°C)	поглощенная энергия (J)
ER70S-2	490min	400min	22min	-30	27min
ER70S-3				-20
ER70S-6				-30
ER70S-G				по соглашению между поставщиком и заказчиком

Компания Kobe Steel производит электроды TIG для высокопрочных сталей 490 MPa (см. Таблицу 1). Новые электроды FAMILIARCTM TG-S70S2 и FAMILARCTM TG-S70S3 были разработаны, чтобы удовлетворить потребности рынка. В Таблице 2 приведены химические составы электродов TIG (присадочных прутков), а в Таблице 3 подробно указаны механические свойства наплавленных металлов по спецификациям AWS A 5.18. В данной статье подробно описаны свойства электродов TIG компании Kobe Steel, перечисленных в Таблице 1, а также приведены рекомендации для достижения оптимальных результатов при сварке GTAW.

2. Свойства FAMILIARCTM TG-S50

Электрод TG-S50 классифицирован как ER70S-G в спецификации AWS A 5.18. Однако это электрод типа C-Si-Mn, который демонстрирует отличную разрывную и ударную прочность при сварке GTAW высокопрочных сталей 490 MPa. Он обладает отличной применимостью, так как дает текучесть наплавленного металла и смачиваемость поверхности валика шва. Он может применяться не только в корневых проходах при сварке труб, но и почти во всех других соединениях и позициях сварки. Этот электрод GTAW компании Kobe Steel получил самую высокую оценку и применяется в широком спектре приложений.

Электрод TG-S50 хорошо подходит для послесварочной тепловой обработки (PWHT) и подвергается PWHT при использовании в крупномасштабных структурных элементах, таких как химические реакторы. Однако пользователям следует обратить внимание на рекомендуемые параметры PWHT - около 625°C×5 hr, так как предел прочности снижается во время PWHT.

Таблица 4: Типичный химический состав наплавленного металла (% массы)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.17	0.76	1.43	0.011	0.015	0.20	0.01	0.02	<0.01	<0.01

Таблица 5: Типичные механические свойства наплавленного металла

	испытание на разрыв при комнатной температуре RT*			поглощенная энергия (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C	0°C
As-welded	485	586	36	163 168 142	192 198 198	216 238 218	244 256 230
Note: *RT = Room temperature

В Таблице 4 представлены типичные химические составы наплавленного металла TG-S50, а в Таблице 5 - типичные механические свойства в условиях после сварки и после PWHT (625°C × 5hr).На Иллюстрации 1 показаны характеристики прочности относительно к температурам тестирования. Разрывная прочность увеличивается в температурном промежутке от 200 – 350°C в условиях после сварки; это так называемое явление синеломкости.

На Иллюстрации 2 показан внешний вид обратной стороны валика шва после корневого прохода в позиции 1G с электродом TG-S50 (диаметр 2,4mm). Разделка - V-образная с одним скосом двух кромок, 60°V, с корневым зазором 3,0 -3,5 mm. Условия сварки - 110A-12V, без защиты обратной стороны шва.

3. Свойства FAMILIARCTM TG-S51T

Подобно TG-S50, TG-S51T является электродом типа C-Si-Mn, но он эквивалентен ER70S-6 по спецификации AWS A 5.18. Благодаря более высокому содержанию C, Si и Mn, он дает большую разрывную прочность и предел прочности, чем TG-S50; однако ударные свойства наплавленного металла TG-S51T почти такие же, как и у TG-S50.

Будучи сходным с TG-S50 по применимости, внешнему виду валика шва и простоте использования, TG-S51T также применяется в широком спектре приложений.

Так как наплавленный металл TG-S51T сохраняет высокие характеристики разрывной прочности высокопрочных сталей 490 MP, даже при более продолжительной послесварочной тепловой обработке, он может применяться в соединениях крупных структурных элементов, которые требуют отжига для снятия напряжений.

Таблица 6: Типичный химический состав наплавленного металла (% массы)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.11	0.82	1.55	0.011	0.012	0.20	0.01	0.01	<0.01	<0.01

Таблица 7: Типичные механические свойства наплавленного металла

PWHT	L.M.P.*1 (×103)	испытание на разрыв при комнатной температуре			поглощенная энергия (J)
		YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-30°C
As-welded	-	523	621	35	168, 174, 160
625°C × 8hr	18.77	422	562	37	194, 176, 176
625°C × 14hr	18.99	414	550	37	188, 172, 191
625°C × 30hr	19.29	396	535	37	160, 178, 172
625°C × 45hr	19.44	382	524	38	184, 156, 158
Note: *1 L.M.P. = Larson-Miller Parameter

В Таблицах 6 и 7, а также на Иллюстрации 3 показаны типичные химические составы наплавленного металла TG-S51T, типичные механические свойства в состоянии после сварки и в разных условиях послесварочной тепловой обработки, а также разрывные характеристики в отношении к параметрам Ларсона-Миллера, соответственно.

На Иллюстрации 4 представлен внешний вид валика шва в положении 1G. Разделка кромок - V-образная с одним скосом двух кромок, 60°V, с корневым зазором 3,0 - 3,5 mm. Условия сварки - 110A-12V, без защиты обратной стороны шва.

4. Свойства FAMILIARCTM No.65G

Электрод NO65G TIG, эквивалентный ER70S-2 по AWS A 5.18, содержит меньше C, Si и Mn по сравнению с TG-S50 или TG-S51T, однако в него добавлены специальные добавки Al, Ti и Zr. Эти элементы позволяют снизить содержание кислорода в сварочной ванне, благодаря чему NO65G дает наплавленный металл относительной высокой чистоты. С другой стороны, этот электрод немного уступает TG-S50 и TG-S51T в отношении текучести расплавленного металла, в связи с чем его поверхностное натяжение повышается, тогда как содержание кислорода в сварочной ванне снижается.

Так как Al, Ti и Zr - это элементы, легко вступающие в реакцию с кислородом, на поверхности валика шва может образовываться шлак, после соединения части элементов с кислородом с сварочной ванне во время сварки. Поэтому пользователям рекомендуется обратить внимание на возможные дефекты сварки, в частности плохой внешний вид валика шва или включения шлака.

Каждый химический элемент в составе электрода NO65G тщательно контролируется для того, чтобы соответствовать условиям, предъявляемым к ER70S-2 согласно спецификации AWS A 5.18, тем самым отвечая строгим требованиям, выдвигаемым японскими пользователями в отношении механических свойств в крупных структурных сооружениях.

Таблица 8: Типичный химический состав наплавленного металла (% массы)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Al	Ti	Zr
0.04	0.50	1.20	0.007	0.012	0.22	0.06	0.05	0.02

Таблица 9: Типичные механические свойства наплавленного металла

	испытание на разрыв при комнатной температуре			поглощенная энергия (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C
As-welded	584	635	29	Av 165	Av 200	Av 215
625°C × 8hr	545	615	30	Av 138	Av 160	Av 175

В Таблице 8, Таблице 9 и на Иллюстрации 5 представлен типичный химический состав наплавленного металла NO65G, типичные механические свойства в состоянии после сварки и PWHT (625°C×8 hr), а также поглощенная энергия в зависимости от температуры тестирования, соответственно.

На Иллюстрациях 6 и 7 показана лицевая сторона валика шва после корневого и второго прохода, а также внешний вид обратной сторон валика после корневого прохода в позициях 1G и 3G (вверх) с применением NO65G (диаметр 2,4 mm), соответственно. Иллюстрации 8 и 9 показывают макроструктуры шва после корневого и второго прохода, в позициях 1G и 3G (вверх), соответственно. Разделка - V-образная с одним скосом двух кромок, 60°V,с корневым зазором 3,0 - 3,5 mm. Условия сварки - 110A-12V при корневом проходе без защиты обратной стороны шва и 160A-13V для второго прохода, соответственно.

5. Свойства FAMILIARCTM TG-S70S2

Как и NO65G, электрод TG-S70S2 соответствует требованиям к ER70S-2 по AWS A 5.18, однако у него есть ряд существенных отличий. TG-S70S2 разработан для применения в относительно более широким ряде сооружений, соответствующих требованиям к ER70S-2 по AWS A 5.18, и его химические составы более разнообразны по сравнению с NO65G в рамках спецификаций ER70S-2.

Al, Ti и Zr, увеличенное образование шлака и уступающие ударные свойства по сравнению с электродами NO65G, в которых эти элементы более контролируемы. Более высокое содержание Al, Ti и Zr приводит к колебаниям ударных свойств.

Таблица 10: Типичный химический состав наплавленного металла (% массы)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Al	Ti	Zr
0.05	0.42	1.05	0.010	0.009	0.11	0.09	0.06	0.04

Таблица 11: Типичные механические свойства наплавленного металла

	испытание на разрыв при комнатной температуре			поглощенная энергия (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C
As-welded	563	622	28	Av 125	Av 205	Av 247
625°C × 8hr	526	604	30	Av 107	Av 156	Av 180

В Таблицах 10 и 11, а также на Иллюстрации 10 показаны типичные химические составы наплавленного металла TG-S70S2, типичные механические свойства в состоянии после сварки и PWHT (625 °C×8 hr), а также поглощенная энергия в зависимости от температуры тестирования, соответственно.

На Иллюстрации 11 показан внешний вид обратной стороны валика шва в позиции 1G и 3G (вверх) с использованием TG-S70S2 (диаметр 2,4mm).

6. Свойства FAMILIARCTM TG-S70S3

TG-S70S3 - это тип электрода C-Si-Mn, подобный TG-S50 или TG-S51T, но разработанный в соответствии со спецификациями ER70S-3 по AWS A5.18. Однако он содержит меньшее количество C-Si-Mn по сравнению с TG-S50, что приводит к меньшей разрывной прочности наплавленного металла. Поэтому PWHT не рекомендуется, только в состоянии после сварки.

Таблица 12: Типичный химический состав наплавленного металла (% массы)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.10	0.53	1.11	0.010	0.015	0.13	0.01	0.02	<0.01	<0.01

Таблица 13: Типичные механические свойства наплавленного металла

	испытание на разрыв при комнатной температуре			поглощенная энергия (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-20°C	0°C
As-welded	460	553	36	200 170 190	240 240 245	255 260 286

В Таблицах 12 и 13 показаны типичные химические составы и механические свойства наплавленного металла TG-S70S3 в состоянии после сварки, соответственно.

7. Сравнение характеристик прочности

На Иллюстрации 12 приведено сравнение разрывных свойств наплавленных металлов, полученных с использованием пяти электродов TIG, отвечающих требованиям AWS A 5.18.

Очевидно, что электрод с самой высокой разрывной и ударной прочностью - NO65G, тогда как в TG-S70S3 эти качества наименее выражены. Эти электроды расположены в порядке убывания разрывной прочности следующим образом:

NO65G>TG-S70S2>TG-S51T>TG-S50>TG-S70S3

8. Рекомендации для получения оптимальных результатов при сварке GTAW

Преимущество использования сварочного процесса TIG для высокопрочных сталей 490 MPа заключается в возможности получить наплавленный металл высокой степени чистоты, благодаря низкому содержанию в нем кислорода при использовании в качестве защитного газа 100% аргона Ar. С другой стороны, твердость может повышаться в состоянии после сварки в зонах, не подвергавшихся повторному нагреванию, в частности, после последнего прохода и в однопроходных угловых швах.

При воздействии на наплавленный металл последнего сварочного прохода в соединении труб с повышенной твердостью среды, содержащей гидросульфиды (H2S), водород, обладающий малым радиусом атома, растворяется в наплавленном металле и может повысить риск замедленного растрескивания.

Когда сварка TIG применяется в сооружениях, которые подвергаются воздействию среды, содержащей гидросульфиды H2S, следуйте нижеуказанным рекомендациям, чтобы не допустить избыточного увеличения твердости и предотвратить замедленное растрескивание:

(1) Предотвратите избыточное увеличение твердости путем поддержания медленной скорости остывания наплавленного металла, применяя высокую погонную энергию.
 (2)Предотвратите избыточное увеличение твердости путем поддержания медленной скорости остывания наплавленного металла, применяя высокую межпроходную температуру или предварительное нагревание.
 (3)Проведите послесварочную термическую обработку наплавленного металла с помощью PWHT. (Этот процесс не следует применять на структурных элементах, которые останутся в состоянии после сварки.)
 (4)Также эффективно применение FAMILIARCTM TG-S35.

Таблица 14: Классификации AWS и JIS по TG-S35

AWS A5.18	ASME F-No.	ASME A-No.	JIS Z3316
-	6	1	W35A0U 10

Электроды TG-S35 предназначены для использования с малоуглеродистыми сталями с низкой разрывной прочностью, их применение ограничено только последним проходом при сварке. Это не указано в стандарте AWS A5.18, но отражено в Японском Промышленном Стандарте (JIS) Z3316 W35A0U 10 (Таблица 14)

Таблица 15: Типичные химические свойства наплавленного металла TG-S35 и спецификация JIS

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
TG-S35	0.01	0.02	0.44	0.012	0.008	0.17	0.01	0.01	<0.01	<0.01
JIS Z3316 W35A0U 10	0.02 max	0.20 max	0.70 max	0.025 max	0.025 max	0.50 max	0.15 max	0.15 max	0.10 max	0.05 max

Типичный химический состав наплавленного металла TG-S35 и спецификации JIS по химическому составу электродов показаны в Таблице 15.

Таблица 16: Типичные механические свойства наплавленного металла TG-S35

	испытание на разрыв при комнатной температуре			поглощенная энергия (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-30°C	-20°C	0°C
TG-S35	335	405	37	36 46 32	154 132 136	212 226 228
JIS Z3316 W35A0U 10	250 min	350-450	22 min	0°C
				47J min

Типичные механические свойства наплавленного металла TG-S35 и спецификации JIS по механическим свойствам в состоянии после сварки представлены в Таблице 16.

Для справки, результаты испытаний на твердость наплавленного металла TG-S35 в сравнении с TG-S50, показаны на Иллюстрации 13. Твердость была измерена как показано на рисунке ниже.

Верх страницы