ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 1996 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к дуговой сварке с использованием расходуемых стальных электродов, а именно к усовершенствованным трубчатым электродам с газообразующим составом.

Известен трубчатый электрод с применением окиси алюминия в целях регулирования физических свойств жидкого шлака на поверхности наплавленного валика (патент N 4723061, кл. В 23 К 35/22, 1988). Окись алюминия предназначается только для шлакообразования. Большое количество окиси алюминия использовалось в качестве составляющей материала-заполнителя, предназначенной для регулирования текучести шлака. Алюминиевый порошок может применяться для окисления и контролирования шлака. В этом патенте не указывается количество алюминия, затрачиваемое на образование окиси алюминия, поскольку образование окиси алюминия является единственной объявленной целью этого патента.

Известен трубчатый электрод для сварки в среде защитных газов (патент N 4510374, кл. В 23 К 35/00, 1984). И в этом случае в качестве раскислителя применяется алюминий, что является общераспространенной практикой, однако алюминий, применяемый в этом патенте, представлен в форме ферроалюминия или алюминиевого порошка для целей легирования. В этом патенте ферроалюминиевый или алюминиевый порошок попадает в жидкий металл и затем используется как раскислитель. В ходе этой реакции образуется окись алюминия, которая всплывает к поверхности направленного валика и включается в состав шлака на наплавленном валике.

Согласно изобретению введение небольшого количества алюминия в порошкообразной форме в шихту трубчатого электрода способствует снижению выделения дыма и улучшению действия дуги при высоких скоростях подачи проволоки. Выяснено, что присутствие в сердечнике 1,0 5,0 алюминиевого порошка позволяет модифицировать традиционные углеродно-марганцево-кремниевые системы. Обнаружено, что в отличие от общепринятого мнения о технологии применения трубчатых электродов с газообразующим составом присутствие алюминиевого порошка в сердечнике электрода может способствовать приближению прочности на разрыв и ударных характеристик по Шарпи к тем значениям, которые можно получить при сварке сплошной проволокой. Это является конечной целью технологии применения трубчатых электродов. Цель приближения к свойствам, получаемым при сварке сплошной проволокой, достигается путем применения контролируемых количеств алюминиевого порошка в сердечнике трубчатого сварного электрода с газообразующим составом в соответствии с настоящим изобретением. Следовательно, изобретение относится к использованию алюминия в обычной углеродно-марганцево-кремнистой системе трубчатых электродов с газообразующей смесью, в которых он обладает высокой активностью в дуге над расположенным металлом, выполняя требующиеся функции еще до того как его остатки попадут в металл шва. Обнаружено, что алюминий в дуге восстанавливает двуокись титана и окись бора, способствуя попаданию небольшого количества титана и бора в металлической форме в сварочную ванну шва в качестве легирующих элементов. Наблюдается также уменьшение общего содержания азота в направленном металле шва по сравнению с системой C-Mn-Si-Ti. Алюминиевая составляющая в металле сварного шва оказывает в высшей степени благоприятное воздействие. Этот остаточный алюминий используется для снижения содержания свободного азота в металле шва, что является преимуществом, поскольку показатели статической вязкости и раскрытия в вершине трещины наплавленного металла шва быстро ухудшаются по мере увеличения содержания свободного азота в металле шва.

Применяемый в соответствии с изобретением алюминий восстанавливает двуокись титана и/или окись бора в целях образования некоторого количества элементарного титана и/или бора в металле шва. Преимущества титана и бора хорошо известны в применении трубчатых электродов с газообразующим составом. Изобретение полезно также для электрода титана-борного типа. Кроме того, изобретение позволяет путем сочетания окиси бора и контролируемого количества алюминиевого порошка регулировать действительное содержание бора в металле шва. Такой подход лучше, чем использование бора в качестве легирующей добавки в стальной оболочки электрода и легче контролируется, чем применение элементарного бора в сердечнике электрода.

Одной из наиболее важных особенностей изобретения является уменьшение общего содержания азота в металле сварного шва за счет использования алюминия по сравнению с обычной системой C-Mn-Si-Ti при данном содержании азота в трубчатом электроде. Это достигается или путем уменьшения попадания азота в металл шва за счет уменьшения образования окиси азота в дуге, или путем способствования выделению азота из металла шва, когда не допускается образование оксидов металла на поверхности сварного шва.

В соответствии с изобретением остаточное содержание алюминия в металле шва составляет менее 0,1 по весу. Это контролируемое количество алюминия в металле шва достаточно для уменьшения количества свободного азота в наплавленном валике. Уменьшение количества общего и свободного азота в металле шва способствует улучшению его механических свойств. Алюминий вступает в реакцию со свободным азотом и образует нитрид алюминия. Поскольку содержание алюминия и азота в металле сварного шва находится на низком уровне, эти частицы нитрида алюминия образуются с запозданием, вероятно уже в затвердевшем металле шва. Более того, количество этих нитридных включений в металле шва невелико. Оба эти фактора способствуют улучшению ударных свойств металла шва.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения в сердечнике электрода содержится двуокись титана и окись бора. Алюминиевый порошок, находящийся в сердцевине электрода, вступает в зоне, образуемой дугой, в химическую реакцию, направленную на восстановление окиси бора и части двуокиси титана. Это позволяет ввести в металл сварного шва контролируемое количество бора и титана, что обеспечивает оптимальный уровень механических свойств. Преимущества использования этих двух легирующих элементов в металле сварного шва хорошо известны. Изобретение позволяет точно контролировать содержание титана и бора в металле наплавленного валика путем правильного выбора содержания алюминиевого порошка в сердечнике электрода.

Следовательно в материале шихты не требуется присутствие металлического титана, например, в виде ферротитана, и металлического бора.

Увеличение содержания алюминия приведет к росту извлечения титана и бора из двуокиси титана и окиси бора, присутствующих в материале-заполнителе электрода. Содержание титана в металле шва должно составлять 0,020 0,080 по весу. Содержание бора должно составлять по меньшей мере 0,002 по весу и предпочтительно составлять 0,0025 0,0065 по весу. Выбор содержания алюминия, позволяющего получить эти требующиеся характеристики наплавленного металла шва является одним из аспектов изобретения.

Использование алюминия в составе шихты позволяет получить механические свойства, значительно превосходящие те, которые могут быть получены с помощью обычных систем легирования с применением только углерода, марганца и кремния. Этот результат подтверждается сравнением свойств наплавленного валика шва, полученного с помощью рассматриваемого электрода с наплавленным металлом, полученным прежними методами. Применение алюминиевой системы изобретения, ведущее к значительному улучшению механических характеристик, обладает также и другими преимуществами. Как упоминалось выше, содержание азота в наплавленном шве при использовании алюминиевой системы, при одинаковом содержании азота в составе электрода ниже получаемого при использовании обычных систем. Это подтверждается сопоставлением результатов, полученных с помощью настоящего электрода, имеющего достаточное количество алюминия в сердечнике для введения алюминия в металл шва, и электродов, применяемых ранее, в которых алюминий не использовался. Преимуществом изобретения является уменьшение общего содержания азота в металле шва наряду с наличием титана и бора для легирования металла шва путем восстановления алюминием двуокиси титана и бора в зоне реакции над металлом шва. Предполагается, что общее содержание азота в металле шва уменьшается путем соединения алюминия в зоне дуги с находящимся в этой зоне кислородом. Следовательно, кислород не может поглотить азот, образуя окись азота, являющуюся соединением, вносящим азот в металл шва. Кроме того, кислород, находящийся в зоне реакции над металлом шва, образует FeO. Этот оксид образует слой на поверхности сварочной ванны. Этот слой препятствует выделению азота из кристаллизующегося металла шва. Следовательно, барьер из оксида железа вызывает повышения содержания азота в металле шва. Применение алюминия, являющееся предметом изобретения, способствует предупреждению образования оксида железа как слоя или барьера на поверхности сварочной ванны.

Поскольку изобретение позволяет получить металл сварочного шва с более низким содержанием азота, чем обычная система трубчатых электродов с газообразующим составом, изобретение приводит к созданию сварочного процесса, менее чувствительного к отсутствию защитного газа. В прошлом применением электродов, предназначенных для использования в среде защитного газа, представляло серьезную проблему при прекращении поступления защитного газа. Металл поглощал из атмосферы большое количество азота. Это вело к соответствующему снижению статической вязкости направленного металла шва. Масштабы этого вредного явления уменьшаются при использовании в сердцевине электрода алюминиевого порошка для поглощения азота и кислорода в дуге над жидким металлом, не допуская таким образом попадания азота в жидкий металл даже при неожиданном исчезновении оболочки защитного газа, окружающей электрод.

Результатом изобретения является создание трубчатого электрода, предназначенного для применения в среде защитного газа и позволяющего получить наплавленный металл необходимого химического состава в том отношении, в котором это касается титана и/или бора, и обеспечивающего получение более плотного сварного шва. В обычных системах применение легирующих элементов типа титана и бора в небольших контролируемых количествах в сердечнике электрода осуществляется только с большой осторожностью, чтобы не допустить ликвации и варьирования химического состава наплавленного металла сварного шва по его длине.

Применение изобретения позволяет с большей легкостью вводить в небольших количествах титан и бор в металл шва, что предупреждает указанное отрицательное воздействие на металл шва.

Применение изобретения позволяет производить стальную оболочку электрода из непрерывнолитой стали. В прошлом эта дешевая сталь не могла применяться для производства трубчатых электродов с газообразующим составом, поскольку в состав этой стали входило определенное количество азота и алюминия.

Изобретение позволяет использовать непрерывнолитую сталь, содержание азота в которой выше, поскольку алюминий, включенный в электрод, снизит поступление азота в металл шва и свяжет остаток свободного азота в частицах нитрида алюминия.

Основным объектом внимания при использовании трубчатых электродов с газообразующим составом является получение высокого уровня прочности, который достигается при доведении содержания марганца и кремния в наплавленном металле до значения, оптимального для нужных ударных характеристик. Присутствие марганца и кремния в металле шва позволяет получить относительно высокую прочность, если они используются в количествах, требующихся для получения необходимых ударных характеристик. Это проблема становится особенно серьезной, когда электроды предназначены для использования с защитным газом в виде углекислого газа, но в действительности используются с защитным газом в виде смеси на основе азота. Такие смеси обеспечивают более высокую прочность за счет более высокого усвоения марганца и кремния металлом шва. В результате уровень прочности превысит требующийся уровень прочности, соответствующий нужным ударным характеристикам системы марганца и кремния. При использовании изобретения прочность металла сварного шва значительно снижается по сравнению с той, которая получается для обычной системы марганца и кремния. Следовательно, если электрод предназначен для использования с углекислым газом в качестве защитного газа, а на деле в качестве защитного газа применяются смеси на основе азота, прочность не превысит требуемых параметров. Это явление подтверждается при сопоставлении наплавленного металла сварного шва, полученного новым электродом с металлом, полученным с помощью обычного электрода. Присутствие в сердечнике алюминия, контролируемого в соответствии с изобретением, дает нам механизм ограничения уровня прочности наплавленного металла шва, обеспечивая уровень содержания марганца и кремния, необходимый для получения высоких ударных характеристик. Можно полагать, что снижение уровня прочности при использовании изобретения получается от наплавления шва с меньшим количеством микровключений, чем это имеет место при стандартной обычной углеродо-марганцево-кремниевой системе. Эти включения служат торможению скольжения внутренних пластинок и повышению прочности полученного металла шва.

Другим преимуществом изобретения является то, что благодаря присутствию алюминия в шихте, разработанные электроды оказываются менее чувствительными к влаге и смазочным загрязнениям, что другие электроды, применяемые при сварке в среде защитного газа. Эта пониженная чувствительность к влаге обеспечивает также более низкое содержание водорода при данном уровне влажности электрода. Следовательно, изобретение снижает потребности в прокаливании электродов с целью удаления влаги.

Алюминиевый порошок в электродах нового типа способствует снижению содержания оксидов железа в сварочном дыму и, таким образом, снижению выделения дыма.

Таким образом, в соответствии с изобретением предлагается трубчатый электрод для дуговой сварки в среде защитного газа.

Электрод содержит железосодержащую оболочку, заполненную шихтой, которая включает легирующие элементы и оксидные флюсовые ингредиенты вместе с 1,0 - 5,0 алюминиевого порошка, причем алюминиевый порошок имеет большее средство с кислородом, чем легирующие элементы или оксидные флюсовые ингредиенты в материале-заполнителе. Количество алюминиевого порошка подбирается таким образом, чтобы содержание алюминия в металле полученного шва не превышало 0,10 Правильный выбор количества алюминиевого порошка, достаточного для получения незначительного уровня содержания остаточного алюминия для легирования позволяет снизить содержание азота в металле шва и произвести раскисление легирующих элементов в зоне реакции дуг над металлом шва.

В соответствии с другим аспектом изобретения в шихте предусматривается содержание 40 60 двуокиси титана, а количество алюминиевого порошка подбирается таким образом, чтобы обеспечить содержание титана в металла шве на уровне 0,02 0,08
В соответствии с другим аспектом изобретения, шихта включает окись бора в количестве 0,3 0,5 мас. а алюминий подбирается таким образом, чтобы обеспечить содержание бора в металле шва на уровне по меньшей мере 0,002 по весу. Предпочтительным является содержание бора в металле шва в пределах 0,0025 0,0065 по весу.

Еще одним аспектом изобретения является введение в шихту двуокиси титана и окиси бора, с получением металла шва, в котором соотношение содержания титана и бора находится в диапазоне (9,0 11,0):1. Предпочтительным является соотношение 10:1.

На фиг.1 изображен схематически в разрезе электрод, изготовленный в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, и иллюстрируется зона реакции, применяемая в практике реализации изобретения.

На фиг. 2 изображен график, показывающий зависимость между уменьшением содержания азота в металле шва и ударными характеристиками металла валика шва или соединения.

На фиг.1 показан расходуемый электрод 1, имеющий внешнюю стальную оболочку, изготовленную из низкоуглеродистой стали, предпочтительное содержание углерода в которой должно быть ниже 0,07 по весу. Электрод 1 применяется в среде защитного газа 2, которым ради дешевизны предпочтительно может быть двуокись углерода, однако могут применяться смеси защитного газа с такими компонентами как кислород, гелий, аргон и т.п. Внутри сердечника 3 электрода 1 помещается зернистый материал в форме легирующих элементов, флюсов и других составляющих, необходимых для образования на поверхности сварочной ванны 4 слоя шлака после возникновения дуги 5 между кончиком электрода 1 и металлом сварочной ванны 4. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения сердечник 3 включает алюминиевый порошок, схематически показанный в виде частиц 6, рассеянных в сердечнике, на долю которого приходится по весу 1,0 5,0 материала-заполнителя, составляющего сердечник 3.

Металлический алюминий из сердечника 3 вступает в реакцию в дуге 5 в зоне, обозначенной как зона реакции 7.

Как уже указывалось, алюминий, находящийся в материале сердечника, способствует снижению содержания общего и свободного азота в металле шва. Как известно, присутствие азота в металле шва оказывает отрицательное воздействие на его ударные характеристики. Фиг.2 иллюстрируют эту концепцию, при которой увеличение общего содержания азота в наплавленном металле шва ведет к снижению ударной вязкости образца с надрезом. Алюминий из материала сердечника снижает кислородный потенциал в зоне 7, уменьшая образование оксидов азота и, следовательно, уменьшая захват азота металлом шва. Алюминий, остающийся в соответствии с настоящим изобретением после реакции в зоне дуги 7, попадает в металла шва, когда он находится в расплавленном состоянии и соединяется со свободным азотом, образуя нитрид алюминия. Таким образом, большая часть азота в металле шва оказывается в связанной форме нитрида. Таким образом, алюминий и азот при использовании изобретения не оказывают значительного отрицательного влияния на прочностные и ударные характеристики металла сварного шва.

До сих пор полагали, что алюминий не может использоваться в сварочном трубчатом электроде с газообразующим составом без ухудшения механических свойств полученного наплавленного материала шва. Когда применяли электроды, специально предназначенные для использования в среде защитного газа, до сих пор считалось, что избыточный, остаточный алюминий в элементарной форме, находящийся в металле шва, образует нежелательные микроструктуры.

Сущностью изобретения является получение некоторого количества остаточного алюминия в металле шва путем тщательного контролирования содержания алюминия в сердечнике.

Алюминий в сердечнике находится в форме порошка металлического алюминия, так что он непосредственно и немедленно вступает в реакцию с составляющими сердечника 3 в зоне реакции 7. Ферроалюминий и другие сплавы алюминия вступает в реакцию после попадания в расплав сварочной ванны 4. Эти сплавы обычно не вступают в реакцию в зоне 7, как ожидается согласно изобретению.

Изобретение применяется в первую очередь с трубчатыми расходуемыми электродами, содержащими двуокись титана, однако, изобретение может быть также использовано в трубчатых электродах с основным сердечником.

Алюминиевый порошок в первую очередь предназначен для использования в трубчатых электродах титано-борного типа, специально сконструированных для применения в среде защитного газа. Это является специализированной технологией. Сочетание титана и бора в металле шва снижает содержание доэвтектоидного феррита по границам зерен аустенита. Кроме того, титан образует тонкий игольчатый феррит в бывших аустенитных зернах. Титан, бор и алюминий снижают содержание свободного алюминия в системе. Таким образом, титан, бор и алюминий, являющиеся результатом использования изобретения, все способствуют легированию системы с улучшением прочности и ударных характеристик. Предпочтительные варианты осуществления изобретения иллюстрируются электродами А Е, в которых применяется никель. Никель улучшает пластичность при более низких температурах, однако в изобретении могут быть применены и другие легирующие элементы.

В прошлом титано-борные трубчатые электроды с газообразующим составом обеспечивали содержание в металле шва небольшого количества бора. Бор может быть введен в металл шва с помощью различных механизмов. В соответствии с одним из аспектов изобретения, бор включается в сердечник в форме оксида бора. Он восстанавливается содержащимся в сердечнике алюминиевым порошком, способствуя последующему легированию бором металла наплавленного валика. Как хорошо известно, бор сдвигает кривую первичного феррита вправо. Алюминий образует нитриды и оксиды. Титан защищает бор от окисления по границам зерен. Бор является нитридообразователем, но титан в большей степени чем бор или алюминий способен к образованию соединений с азотом. Однако алюминий является более сильным раскислителем и именно в этом заключается преимущество предлагаемой системы.

В предпочтительном варианте осуществления наплавленный валик накладывается между двумя листами из стали А537 толщиной 2 дюйма (50 мм), причем предполагается, что кромки листов образуют входной угол 50^o, а листы располагаются таким образом, что нижние более острые кромки разведены на расстояние 1/4 дюйма (6,4 мм). Листы предварительно нагревают до 212^oF (100^oC), и между каждым проходом температуре ранее наплавленного валика позволяет опуститься приблизительно до 325^oF (163^oC).

При девяти проходах с применением электродов А, В, С, D и Е описанных ниже, были получены значения ударной вязкости (табл.1).

Наплавленный валик, полученный с помощью варианта осуществления, электрода А, имеет химический состав, представленный в табл.2.

Наплавленный валик, полученный с помощью варианта осуществления, электрода В, имеет химический состав, представленный в табл.3.

Наплавленный валик, полученный с помощью варианта осуществления, электрода С, имеет химический состав, представленный в табл.4.

Наплавленный валик, полученный с помощью варианта осуществления, электрода D имеет химический состав, представленный в табл.5.

Наплавленный валик, полученный с помощью варианта осуществления, электрода Е, имеет химический состав, представленный в табл.6.

Эти образцы применения изобретения были получены путем использования следующих электродов, стальная часть которых имела форму трубки из низкоуглеродистой стали (<0,07), а сердцевина была заполнена флюсом, состоящим из следующих ингредиентом (мас.), представленных в табл.7.

Типичными параметрами сварки указанными электродами были:
а) электроды диаметром 0,045 дюйма (1,1 мм),
б) положительная полярность электрода постоянного тока,
в) вылет электрода 3/4 дюйма (19 мм),
г) заполнение электрода составляет 14 17 от общей массы электрода,
д) скорость подачи проволоки составляет приблизительно 275 дюймов/мин (8 м/мин).

Электроды А-Е изготовлены в соответствии с изобретением и в их сердцевине используется алюминиевый порошок в целях улучшения физических свойств металла шва с использованием некоторых никелевых расходуемых электродов.

Электроды, применяемые в соответствии с изобретением, включают легирующие элементы, такие как алюминий, марганец, никель, кадмий, кремний, цирконий и железо. В системе флюсов могут быть использованы также и другие легирующие элементы. Различные виды легирующих элементов ограничиваются только теми, которые обладают меньшим сродством с кислородом и азотом по сравнению с алюминием. Алюминиевый порошок предназначен для того, чтобы быть главным раскислителем и денитратом системы флюсов, с тем, чтобы быть главным раскислителем и денитратом системы флюсов, с тем, чтобы добиться требуемого выделения легирующих металлов в металле шва при одновременном уменьшении выделения уменьшении выделения дыма в процессе сварки. Легирующие элементы, такие как магний или сплавы магния, которые обладают большим сродством с кислородом или азотом по сравнению с алюминиевым порошком, оказывают отрицательное воздействие и мешают протеканию реакций с алюминиевым порошком, происходящих в зоне реакции 7. Отрицательное воздействие магния, сплавов магния и/или других легирующих элементов, обладающих большим сродством с кислородом и азотом по сравнению с алюминием вызывает усиление выделения дыма и усиление разбрызгивания в процессе сварки и/или снижение качества наплавленного валика. ТТТ1 ТТТ2 ТТТ3 ТТТ4

Использование: трубчатый электрод для дуговой сварки в среде защитного газа. Сущность изобретения: электрод включает железосодержащую трубку, заполненную шихтой. Шихта содержит легирующие элементы и ингредиенты для офлюсовывания оксидов и включает, мас.%: 40 - 60 двуокиси титана, 0,3 - 0,5 окиси бора и 1,0 - 5,0 алюминиевого порошка. Алюминиевый порошок обладает большим средством с кислородом, чем другие компоненты шихты. Количество алюминиевого порошка подобрано таким образом, чтобы обеспечить в металле шва содержание титана на уровне 0,02 - 0,08 %, менее 0,002 % бора и менее 0,10 % алюминия. Коэффициент заполнения электрода составляет 14 - 17 %. Шихта может содержать двуокись кремния 2,0 - 4,5 мас.%, марганцевый легирующий компонент 10,0 - 15,0 мас.%, никель 8,0 - 10,0 мас.%. 10 з.п. ф-лы., 2 ил., 7 табл.

1. Трубчатый электрод для дуговой сварки в среде защитных газов, включающей железосодержащую оболочку, заполненную порошкообразной шихтой, содержащей двуокись титана, легирующие элементы и раскислители, преимущественно алюминий, отличающийся тем, что шихта содержит 40 60 мас. двуокиси титана и 1,0 5,0 мас. алюминиевого порошка, при этом в качестве легирующих и раскислителей использована группа элементов, среди которых алюминий имеет наибольшее сродство к кислороду для обеспечения содержания в металле шва титана 0,02 0,08 мас. и алюминия не более 0,10 мас. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что масса шихты составляет 14 17% от общей массы электрода. 3. Электрод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что шихта содержит дополнительно окись бора в количестве 0,3 0,5 мас. при этом содержание бора в металле шва составляет не менее 0,002 мас. 4. Электрод по пп. 1 3, отличающийся тем, что отношение содержания титана к содержанию бора в металле шва (9 11):1. 5. Электрод по п.4, отличающийся тем, что отношение содержания титана к содержанию бора в металле шва составляет 10:1. 6. Электрод по пп. 1 5, отличающийся тем, что содержание двуокиси титана в шихте составляет 50 60 мас. 7. Электрод по пп. 1 6, отличающийся тем, что шихта включает двуокись кремния 2,0 4,5 мас. 8. Электрод по пп. 1 7, отличающийся тем, что в качестве легирующего шихта включает не менее 10 мас. марганцевого легирующего компонента. 9. Электрод по п.8, отличающийся тем, что шихта содержит 10-15 мас. марганцевого легирующего компонента. 10. Электрод по пп. 1-9, отличающийся тем, что в качестве легирующего элемента шихта содержит никель. 11. Электрод по п.10, отличающийся тем, что шихта содержит никель в количестве 8,0 10,0 мас.