АКТИВИРУЮЩИЙ ФЛЮС ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 2006 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено, например, при электродуговой сварке легированных сталей вольфрамовым и плавящимся электродом.

Известен флюс для электродуговой сварки магниево-литиевых сплавов [Авторы Буланый Е.В., Кудрявцев Ю.В., Плиско В.Н., Мамон М.Д. Авторское свидетельство СССР №712222, Кл. В 23 К 35/362 от 05.06.78 г.]. Флюс содержит, вес.%: фторид лития 26...29; фторид магния 26...29; фторид кальция 21...24; фторид алюминия 11...14; фторид редкоземельного элемента 4...6; титан - остальное.

Введение порошка титана позволяет увеличить активность флюса, улучшить качество сварных соединений за счет удаления окисных пленок и снижения образования газовых пор. Однако данный флюс предназначен только для сварки легких цветных сплавов и малоэффективен при сварке сталей.

Известен флюс для электродуговой сварки алюминиевых сплавов [Авторы Абралов М.А., Абдурахимов А.А., Саидов P.M. и др. Авторское свидетельство СССР №1018835, Кл. В 23 К 35/362 от 22.02.82 г.]. Флюс содержит, вес.%: фторид кальция 10...30; фторид бария 10...30; фторид лития 8...30; хлорид лития 20...50; фторид лантана 10...20; металлический никель 2...10.

Введение порошка никеля позволяет увеличить активность флюса и улучшить качество сварных соединений за счет снижения образования газовых пор. Однако флюс применим только для сварки алюминиевых сплавов и также малоэффективен при сварке сталей.

Известен флюс для электродуговой сварки высокопрочных теплоустойчивых и жаропрочных сталей [Паршин С.Г., Казаков Ю.В., Корягин К.Б. Активирующий флюс для электродуговой сварки. Патент РФ №2198773 от 20.02.2003], принятый за прототип.Он содержит, вес.%: гексафторалюминат лития 20...30; двуокись титана 20...30; окись алюминия 10...30; хлорид кальция 20...30.

Данный флюс позволяет существенно увеличить глубину проплавления сталей и обеспечить высокую стабильность формирования сварного шва.

Однако состав флюса слабо защищает сварной шов от проникновения водорода и азота. В монтажных условиях, например, на открытой площадке, при высокой влажности среды, при ремонте энергетического оборудования, защитная атмосфера вокруг сварочной дуги нарушается воздушными потоками. Это насыщает атмосферу дуги влагой, водородом и азотом, которые растворяются в расплавленном металле и образуют в сварном шве газовые поры [Походня И.К. Газы в сварочных швах. М., Машиностроение, 1972 г., 256 с.]. Газовые поры являются недопустимыми дефектами, поскольку снижают прочность и герметичность сварных соединений ответственных конструкций.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является улучшение качества сварных соединений.

Сущность изобретения заключается в том, что флюс-прототип, содержащий гексафторалюминат лития, двуокись титана, оксид алюминия Al₂О₃ и хлорид кальция, дополнительно содержит металлический порошок или смесь порошков, которые выбирают из группы: хром, никель, титан при следующем соотношении компонентов, вес, %:

Гексафторалюминат лития - 30...40

Двуокись титана - 20...30

Оксид алюминия - 10...20

Хлорид кальция - 10...20

Металлический порошок - 10...20.

Такая совокупность известных и новых признаков позволяет получить высокую проплавляющую способность сварочной дуги при хорошем формировании сварного шва без образования газовых пор. Это становится возможным, поскольку металлический порошок и его соединения с фтором активно взаимодействуют с влагой, водородом и азотом и связывают их в нерастворимые в сварочной ванне соединения.

Предлагаемый флюс содержит гексафторалюминат лития Li₃AlF₆, двуокись титана TiO₂, оксид алюминия Al₂О₃, хлорид кальция CaCl₂ и металлический порошок или смесь порошков, которые выбирают из группы: хром, никель, титан. Компоненты флюса взяты в следующем соотношении, вес. %:

Гексафторалюминат лития - 30...40

Двуокись титана - 20...30

Оксид алюминия - 10...20

Хлорид кальция - 10...20

Металлический порошок - 10...20.

Цель изобретения достигается тем, что состав флюса дополнительно содержит активный металлический порошок. Металлический порошок и его фториды при нагреве активно взаимодействуют с влагой, водородом и азотом, что предотвращает проникновение вредных примесей в сварной шов.

Хром, никель и титан активно взаимодействуют с гексафторалюминатом лития Li₃AlF₆ и продуктами его диссоциации, которыми являются фторид лития LiF, фторид алюминия AlF₃ и газообразный фтор F₂:

где Me - металл; к - конденсированная фаза; г - газообразная фаза; n - индекс.

В результате данных реакций образуется фторид хрома CrF₃, фторид никеля NiF₂, фториды титана TiF₂, TiF₃, TiF₄. Фториды хрома, никеля и титана обладают высокой химической активностью по отношению к воде Н₂О, молекуле H₂ и атому Н водорода и легко связывают водород в нерастворимое в сварочной ванне соединение HF↑. Фтористый водород HF имеет высокую энтальпию диссоциации, что благоприятствует сжатию столба дуги за счет отбора теплоты диссоциации от границ столба дуги [Замков В.Н., Прилуцкий В.П., Гуревич С.М. Влияние состава флюса на процесс сварки титана неплавящимся электродом. // Автоматическая сварка, 1977 №4, с.22-26 и Скворцов Е.А. К вопросу о механизме контрагирования дуги при сварке по флюсу // Сварочное производство, №4, 1989 г., с.36-38].

В конденсированном состоянии оксид TiO₂, входящий в состав флюса, взаимодействует с хлористой солью кальция CaCl₂, образуя газы TiCl₂, TiCl₃, TiCl₄, которые также как и порошок титана, активно связывают молекулу азота N₂ и атом азота N в нитрид титана TiN. Порошок хрома активно связывает азот в нитриды CrN и Cr₂N, а порошок титана активно связывает азот N₂ в нитрид титана TiN по реакциям:

Это препятствует насыщению азотом сварочной ванны и образованию азотных пор. Хлористая соль кальция CaCl₂ обеспечивает хорошее сцепление слоя флюса с поверхностью металла. Это препятствует выдуванию флюса потоком дуговой плазмы, поэтому флюс более равномерно поступает в дугу, что обеспечивает стабильное формирование шва.

Соединение гексафторалюминат лития при сварке диссоциирует на соединения LiF, AlF₃ и F₂, которые химически взаимодействуют с титаном и двуокисью титана TiO₂. При этом образуются соединения TiF₄, TiF₃, TiF₂, которые имеют высокие энтальпии диссоциации и сжимают столб дуги, увеличивая глубину проплавления металла.

В то же время продукты диссоциации гексафторалюмината лития - LiF, AlF₃ и хром являются нейтральными по отношению к оксиду алюминия Al₂O₃, который уменьшает электропроводимость расплавленного флюса на поверхности сварочной ванны. Это уменьшает диаметр активного пятна дуги и стабилизирует его положение на сварочной ванне, что увеличивает глубину проплавления металла.

Основной причиной образования газовых пор является поглощение водорода расплавленным металлом [Походня И.К. Газы в сварочных швах. М.: Машиностроение, 1972 г., 256 с.]. Источниками водорода при сварке является влага, которая содержится в атмосфере дуги, сварочных материалах, ржавчине и загрязнениях. Вода Н₂О при температуре дуги диссоциирует:

H₂O↑=Н₂↑+1/2O₂↑ и Н₂↑=H↑+H↑

Удаление влаги и водорода основано на химическом связывании молекул Н₂О, Н₂, атомов Н в газообразные соединения, нерастворимые в сварочной ванне по следующим типам химических реакций:

где Me - металл; G - галоген; к - конденсированная (жидкая или твердая) фаза; г - газообразная фаза, n - индекс.

В результате реакций VII...XII количество водорода в зоне горения дуги и в расплавленном металле резко снижается, что предупреждает возникновение газовых пор и повышает качество сварного соединения.

О химической активности хрома, никеля, титана и их фторидов свидетельствуют высокие положительные значения констант равновесия химических реакций, табл.1.

Предложенное количественное соотношение компонентов флюса обеспечивает наиболее эффективное снижение образования газовых пор за счет активного взаимодействия паров флюса с влагой, водородом и азотом. В то же время данное соотношение компонентов обеспечивает наиболее эффективное их воздействие на концентрацию тепловой мощности сварочной дуги, обеспечивает повышение ее проплавляющей способности и сохраняет стабильность формирования сварного шва.

Флюс готовят путем смешивания предварительно измельченных компонентов. Перед смешиванием компоненты прокаливают при температуре 150-200°С в течение 1,5-2 часов. Полученную смесь флюса разводят в этиловом спирте в соотношении 1:1 и хранят в герметичной стеклянной таре.

Примером применения данного флюса может служить сварка труб конвективного пароперегревателя котла ТГМ-96, диаметром 36×6 мм из стали 12Х1МФ. Флюс наносили на поверхность труб по обе стороны от стыка слоем толщиной 0,05 мм. Флюс имел состав, вес. %: гексафторалюминат лития 30%; двуокись титана 30%; окись алюминия 10%, хлорид кальция 15%; хром 15%. На другие образцы труб наносили слой флюса с порошком никеля и титана. Сварка труб производилась на открытой монтажной площадке при относительной влажности среды 85%, при наличии потока воздуха, имеющего скорость 7 м/с. Сила тока составляла 130 А, расход аргона 7...8 л/мин. При сварке без флюса наблюдалось плохое формирование, возникали поры и разбрызгивание, стабильность горения дуги была низкой. При сварке по слою флюса формирование шва и стабильность горения дуги улучшились, поры отсутствовали. После сварки сварные соединения подвергали рентгенографическому контролю на рентгенаппарате "Арина-3", табл.2.

Таблица 2
Результаты рентгенографического контроля Вид сваркиРезультаты расшифровки рентгенографических снимков1. Сварка труб без флюсаЦепочки и скопления пор ⊘ 0,8 и ⊘ 1,2 мм по 1/3 периметра сварного шва2. Сварка труб без флюсаЦепочки пор ⊘ 0,3 мм и отдельные поры ⊘ 0,8 мм по 1/4 периметра сварного шва3. Сварка труб без флюсаЦепочки пор ⊘ 0,6 мм и отдельные поры ⊘ 0,3 мм по 1/3 периметра сварного шва6. Сварка труб с флюсом и порошком хромаПор нет4. Сварка труб с флюсом и порошком хромаОтдельные поры ⊘ 0,2 мм и 0,5 мм по периметру шва4. Сварка труб с флюсом и порошком титанаПор нет

Таким образом, предлагаемый состав флюса по сравнению с флюсом-прототипом обеспечивает технический эффект, который выражается в повышении качества сварных соединений и снижении образования газовых пор. Предлагаемый флюс содержит известные доступные компоненты, прост в изготовлении, может быть изготовлен и применен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый флюс обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано при электродуговой сварке легированных сталей вольфрамовым и плавящимся электродом. Флюс содержит, вес.%: гексафторалюминат лития 30...40, двуокись титана 20...30, оксид алюминия 10...20, хлорид кальция 10...20, а также металлический порошок или смесь порошков, которые выбирают из группы: хром, никель, титан в количестве 10...20 вес.%. Приведенный состав активирующего флюса обеспечивает снижение образования газовых пор, повышение проплавляющей способности дуги и стабильность формирования сварного шва. 2 табл.

Активирующий флюс для дуговой сварки, содержащий гексафторалюминат лития, двуокись титана, оксид алюминия и хлорид кальция, отличающийся тем, что он дополнительно содержит металлический порошок или смесь металлических порошков, выбранных из группы хром, никель, титан при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Гексафторалюминат лития30-40Двуокись титана20-30Оксид алюминия10-20Хлорид кальция10-20Металлический порошок10-20