СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2003 года по МПК B23K35/365 

Предлагаемое изобретение относится к материалам для электродуговой сварки и может быть использовано как покрытие для сварки переменным и постоянным током трубопроводов и металлоконструкций при наложении корневых швов и "горячего" прохода соединений способом "сверху-вниз".

В настоящее время широкое применение в мировой практике строительства трубопроводов имеют газозащитные электроды, которые обеспечивают возможность сварки способом "сверху-вниз", что позволяет повысить ее производительность в 2,2-2,7 раза, обеспечить обратное формирование валика корневого шва и высокое его качество.

В качестве газозащитных используют электроды с высоким содержанием целлюлозы в покрытии.

Известны электроды с толстым покрытием целлюлозного типа (Wada, Takashiu и другие ДЭ 4208673 А1, В 23 К 35/365, 23.09.93), содержащее, %:
Окись магния - 0,1-7
Оксид железа - 7-25
Двуокись кремния - 10-30
Марганец - 5-27
Рутил - 8-19
Бор - 0,05-0,5
Целлюлоза - Остальное
Содержание целлюлозы в таких электродах лежит в пределах 25,3-30,9%.

Недостатками этих электродов является недостаточная проплавляющая их способность (≤1,2-1,4 мм/100А), что не обеспечивает стабильное проплавление корня шва при колебаниях притупления и зазора в стыках со стандартной точностью подготовки кромок под сварку, большое усиление валика в потолочном положении и неплавный переход от наплавленного металла к основному, что требует повышенных дополнительных затрат на его обработку шлифмашинкой для обеспечения качества многопроходных швов, в частности неповоротных стыков труб, а также повышенная склонность образования пористости, особенно для составов с несбалансированным содержанием FeO и Мn в покрытии, в частности из-за широкого разброса их содержаний в заявленных пределах.

Известны также газозащитные электроды марки ЦЦ-1 (И.Д.Давыденко. Справочник по сварочным электродам. Ростовское книжное издательство, 1961, с. 56) с покрытием, содержащим, %:
Оксицеллюлоза - 45
Двуокись титана - 25
Ферромарганец - 20
Тальк - 10
Недостатками этих электродов являются повышенная склонность к образованию пористости в процессе сварки, повышенное разбрызгивание (коэффициент потерь 16-18%), большая длина допустимого огарка при сварке (≥100-110 мм), что приводит к повышенному расходу электродов, повышенное содержание марганца в сварочном аэрозоле, особенно вредного для здоровья человека. Дополнительным недостатком этих электродов является использование в покрытии не целлюлозы, а оксицеллюлозы, не отличающейся стабильностью состава, что обусловливает нестабильность свойств электродов.

Из последних разработок известны газозащитные электроды (Коваль А.В. и др. патент 21155331, Россия, МПК В 23 К 35/365) с покрытием, содержащим, %:
Титаномагнетитовая руда - 38-40
Целлюлоза - 40-43
Ферромарганец - 19-20
Недостатками электродов с таким покрытием являются повышенное разбрызгивание (коэффициент потерь 19-20%), неравномерное формирование швов при наложении их способом "сверху-вниз" из-за повышенной текучести шлака, набегающего на дугу, большой допустимый огарок электрода (~100-110 мм), повышенная вероятность образования пористости из-за невозможности стабильного ведения процесса сварки опиранием ввиду непрочности втулки электрода.

Из отечественных наибольшее применение в практике нашли целлюлозные электроды ВСЦ-4 (Электроды для ручной дуговой сварки в строительстве. Каталог, М., ВНИИСТ-МОСЗ, 1982, ТУ 14-4-857-77) с покрытием, выбранным за прототип и содержащим, %:
Целлюлоза - 34
Рутил - 39
Ферромарганец - 10
Доломит - 6
Асбест хризолитовый - 11
Недостатком электродов с таким покрытием являются недостаточная для стабильного проплавления корня шва проплавляющая способность (1,3-1,5 мм/100А) при технике его наложения "сверху-вниз" и стандартной точности подготовки кромок стыка под сварку, повышенный коэффициент потерь (16-18%) и большая допустимая длина огарка при сварке (100-120 мм), что обуславливает большой их расход (1,85-1,90 кг на 1 кг наплавленного металла) для выполнения соединения, повышенная вероятность образования пористости в швах, в т.ч. при их наложении опиранием, для снижения которой и повышения проплавляющей способности сварщики прибегают к покрытию поверхности обмазки электродов органической жидкостью, например соляркой.

Технологическими недостатками указанных электродов являются наличие в их покрытии асбеста хризолитового, нетехнологичного в переработке и ухудшающего гигиенические условия труда.

Задачей настоящего изобретения является повышение проплавляющей способности электродов при наложении корневых шов и горячего прохода соединений способом "сверху-вниз", уменьшеие коэффициента их потерь и допустимого огарка при сварке, снижение склонности к порообразованию в наплавленном металле.

Задача изобретения решается тем, что состав электроного покрытия для сварки трубопроводов и металлоконструкций, содержащий целлюлозу, рутил и ферромарганец, дополнительно содержит магнезит обожженный, графит и глыбу калиево-натриевую, или натриево-калиевую, или натриевую при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Целлюлоза - 51-57
Рутил - 17-19
Ферромарганец - 16-17
Магнезит обоженный - 6-9
Графит - 1,5-2,5
Глыба калиево-натриевая, или натриево-калиевая, или натриевая - 1,0-3,0
Для проведения контрольных испытаний электродов с предлагаемым покрытием были изготовлены их варианты с составами, представленными в табл. 1.

Покрытие наносилось на металлические стержни диаметром 3 мм из проволоки Св-08 способом опрессовки.

Испытания электродов проводились на постоянном токе, обратной и прямой полярностях и переменном токе. При этом экспертно не установили отличий в устойчивости горения дуги, разбрызгивании, величине допустимого огарка, склонности к порообразованию в швах, в технике наложения швов способом "сверху-вниз". Экспертно ощущалась разница в проплавляющей способности электродов и давлении дуги на сварочную ванну.

Сварка корневых швов и "горячего" прохода проводилась от выпрямителя ВДМ-1001 с балластным реостатом и сварочного выпрямителя ДС-40 фирмы "Линкольн".

При этом отличий в сварочно-технологических свойствах, формировании корневых швов и "горячего" прохода, их внешнем виде и технике наложения не проявлялось.

Эксперименты по определению проплавляющей способности, которая выражалась в мм на 100А сварочного тока, коэффициента потерь и расхода электродов, допустимого их огарка при сварке, расхода электродов на 1 кг наплавленного металла проводились при наложении валиков на пластины d=5 мм из стали Ст.3 пс. Техника наплавки валиков - "сверху-вниз" опиранием электрода.

Оценка склонности к образованию пористости в наплавленном металле осуществлялась по результатам сварки корневых швов и "горячего" прохода катушек труб ⊘ 273х8 мм из стали Ст.3 и труб ⊘ 1020х10,8 мм из стали класса х65 Волжского завода внешним осмотром, при послойной проточке сварного стыка и выборочно рентгеновским контролем.

Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Варьирование составом предлагаемого покрытия при его разработке показало, что только при выдерживании содержаний компонентов в заявляемых пределах обеспечивается отмеченный положительный эффект электродов.

Так, снижение количества целлюлозы приводило к уменьшению проплавляющей способности электродов, а повышение - к увеличению разбрызгивания и длины допустимого огарка при сварке, а также повышало количество требуемого для качественной опрессовки электрода жидкого стекла, что приводило к ухудшению его сварочно-технологических свойств, в т.ч. формирование швов при наложении их "сверху-вниз".

Снижение количества рутила приводило к ухудшению кроющей способности шлака, увеличению усиления наплавляемого валика и склонности к образованию подрезов в швах. Увеличение содержания рутила приводило к затеканию шлака на дугу в процессе сварки и ухудшению формирования швов при наложении их "сверху-вниз".

Снижение содержания ферромарганца повышало склонность к порообразованию и приводило к снижению механических свойств наплавленного металла, а его увеличение - к повышению текучести металла сварочной ванны, его затеканию на дугу, что затрудняло наложение швов способом "сверху-вниз".

Введение обоженного магнезита в заявляемых количествах повысило устойчивость горения дуги, привело к возможности более полного использования электродов при сварке за счет уменьшения допустимого огарка и уменьшения разбрызгивания, улучшило форму швов за счет более плавного перехода от наплавленного металла к основному, способствовало образованию прочной втулки, необходимой для ведения процесса сварки опиранием. Увеличение содержания обоженного магнезита в покрытии повышает текучесть шлака, приводит к его затеканию на дугу, что не позволяет обеспечить качественное формирование швов при их выполнении способом "сверху-вниз".

Введение графита в покрытие снижает склонность к порообразованию, особенно при несамопроизвольных удлинениях дуги, повышает проплавляющую способность электродов, а в технологическом плане улучшает опрессовываемость электродов. Уменьшение его количества в покрытии приводит к потере положительного эффекта, а увеличение - к недопустимому науглероживанию наплавленного металла и ухудшению его механических свойств.

Глыба натриевая (или натриево-калиевая или калиево-натриевая) повысила устойчивость горения дуги, уменьшила потери на разбрызгивания электродов при сварке, а в технологическом плане позволила снизить количество жидкого стекла в покрытии, необходимого для качественной опрессовки электродов. Уменьшение содержания глыбы в покрытии приводит к потере эффекта положительного влияния этого компонента на свойства электродов, а его увеличение - к повышению разбрызгивания, укреплению переносимых капель электродного материала при сварке, повышению склонности к порообразованию.

Следовательно, только заявляемая совокупность компонентов покрытия обеспечивает достижение поставленной цели, заключающейся в повышении проплавляющей способности электродов, уменьшении их потерь и допустимого огарка при сварке, снижении склонности к порообразованию в наплавленном металле.

Для определения механических свойств электродами с предложенными в табл. 1 покрытиями были выполнены стыки пластин из стали Ст.3 сп толщиной 14 мм в вертикальном положении способом "сверху-вниз". Разделка кромок стыка - V-образная под углом 60^о, притупление 1,5^±0,5мм, зазор 1,5-2,0. Корневой шов соединения выполнялся на прямой полярности, "горячий" проход и последующие слои - на обратной полярности. Техника выполнения корневого шва и "горячего" прохода - опиранием, последующих проходов - с колебательными движениями электрода на короткой (<диаметра стержня) длине дуги, сварочный ток - 80-90 А. Испытания согласно ГОСТ 9466-75 металла шва показали, что характерные механические его свойства лежат в пределах: для предела прочности, - 480-490 МПа, для предела текучести, 392...412 МПа, относительное удлинение, δ₅ - 21. ..24%, относительное сужение - 56...59%, ударная вязкость, α_н, при +20^оС - 882-980 Дж/см², ударная вязкость, α_н45, при -20^oС - 390... 490 Дж/см². Т.е. электроды с предлагаемыми составами покрытий отвечают требованиям типа Э42 и Э46 ГОСТ 9467-75 и Е6010 АWS А5.1.

Повышение механических свойств наплавленного металла, в частности предела прочности, достигается введением в состав предлагаемого покрытия ферромолибденна, т. е. легированием шва Мо. При этом улучшается и формирование шва при его наложении способом "сверху-вниз". Введение же в покрытие 4-5% Ni повышает ударную вязкость металла шва.

Исследования санитарно-гигиенических характеристик электродов с предлагаемым покрытием (табл.3), которым присвоена марка "Кубань-3", показали их преимущества в сравнении с прототипом - электродами ВСЦ-4.

Как видно из табл. 3, сварка электродами с предложенным покрытием сопровождается на ~26% меньшей интенсивностью образования ТССА, меньшими удельными выделениями ТССА (на ~52%) и меньшими валовыми выделениями марганца.

Калькуляция себестоимости электродов с предложенным покрытием показывает, что по настоящим ценам на компоненты она составляет около 60 тыс. руб. за 1 т против 2900-3200$ для импортных электродов аналогичного назначения.

Предложен состав электродного покрытия целлюлозных электродов для сварки "сверху-вниз" трубопроводов и металлоконструкций. Состав содержит следующие компоненты, мас.%: целлюлоза - 51-57; рутил - 17-19; ферромарганец - 16-17; магнезит обожженный - 6-9; графит - 1,5-2,5; глыба калиево-натриевая, или натриево-калиевая, или натриевая 1,0-3,0. Техническим результатом изобретения является повышение проплавляющей способности электродов, снижение склонности к порообразованию и уменьшение расхода электродов при сварке. 3 табл.

Состав электродного покрытия для сварки трубопроводов и металлоконструкций, содержащий целлюлозу, рутил, ферромарганец, отличающийся тем, что дополнительно содержит магнезит обожженный, графит и глыбу калиево-натриевую, или натриево-калиевую, или натриевую при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Целлюлоза - 51 - 57
Рутил - 17 - 19
Ферромарганец - 16 - 17
Магнезит обожженный - 6 - 9
Графит - 1,5 - 2,5
Глыба калиево-натриевая, или натриево-калиевая, или натриевая - 1,0 - 3,0о