АКТИВИРУЮЩИЙ ФЛЮС ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 2007 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 теплоустойчивых и жаропрочных сталей [Паршин С.Г., Казаков Ю.В., Корягин К.Б. Активирующий флюс для электродуговой сварки. Патент РФ №2164849 от 19.04.2001 г.]. Он содержит, вес.%: гексафторалюминат лития 17...25; двуокись титана 17...25; тугоплавкое соединение из группы: двуокись кремния, двуокись германия, двуокись теллура 35...40; хлорид кальция 20...30.

Данный флюс в виде раствора порошка в этиловом спирте наносят на свариваемые кромки деталей, что позволяет увеличить глубину проплавления металла. Хлорид кальция увеличивает сцепление слоя флюса с поверхностью металла, что позволяет стабилизировать процесс поступления флюса в дугу и улучшить формирование шва.

Однако большое количество хлорида кальция и полупроводниковых оксидов в составе флюса увеличивают электропроводимость известного флюса в расплавленном состоянии, что расширяет активное пятно дуги и снижает глубину проплавления металла. Кроме того, состав флюса слабо защищает расплавленный металл от воздействия водорода и азота при сварке во влажной атмосфере и в неблагоприятных условиях.

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.

Введение во флюс окиси алюминия позволяет уменьшить электропроводимость известного флюса в расплавленном состоянии, что увеличивает эффективность флюса и глубину проплавления металла, сохраняя при этом высокую стабильность формирования шва.

Однако состав флюса также 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 насыщается влагой, водородом и азотом, которые растворяются в расплавленном металле и образуют в сварочном 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 и оксид алюминия Al₂O₃, вместо хлористой соли кальция содержит группу галогенидных солей магния, вес.%:

Гексафторалюминат лития20...30Двуокись титана20...30Оксид алюминия10...30Хлорид магния10...20Бромид магния10...20Йодид магния10...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 группа солей магния активно взаимодействует с влагой и водородом в атмосфере дуги и связывает их в нерастворимые в сварочной ванне газообразные соединения. Одновременно хлорид магния способствует образованию соединений, которые связывают азот в нитриды.

Предлагаемый флюс содержит гексафторалюминат лития Li₃AlF₆, двуокись титана TiO₂, оксид алюминия Al₂O₃ и группу галогенидных солей магния: MgCl₂, MgBr₂, MgI₂. Компоненты флюса взяты в следующем соотношении, вес. %:

Гексафторалюминат лития20...30Двуокись титана20...30Оксид алюминия10...30Хлорид магния10...20Бромид магния10...20Йодид магния 10...20

Цель изобретения достигается тем, что в состав флюса вместо малоактивного хлорида кальция вводят группу более активных галогенидных солей магния. Данная группа галогенидных солей магния обладает максимальным давлением паров, имеет различные температуры плавления и кипения и при сварке полностью переходит в парообразное состояние [Уикс К.Е., Блок Ф.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, галогенидов, карбидов и нитридов. Пер. с англ., М.: Металлургия, 1965 г., 240 с.]. При сварке данная смесь паров окружает дугу и сварочную ванну и препятствует проникновению влаги, водорода и азота в зону сварки.

Соли магния обладают высокой химической активностью по отношению к воде H₂O, молекуле Н₂ и атому Н водорода и легко связывают водород в нерастворимые в сварочной ванне соединения. Образуемые продукты реакций HF, HCl, HBr, HI имеют высокую энтальпию диссоциации, что благоприятствует сжатию столба дуги за счет отбора теплоты на диссоциацию 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 магния MgCl₂, образуя газы TiCl₂, TiCl₃, TiCl₄, которые активно связывают азот N₂ в нитрид титана TiN. Это препятствует насыщению азотом сварочной ванны и образованию азотных пор. Хлористая соль магния MgCl₂ 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 и AlF₃, которые химически взаимодействуют с 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 группа солей магния: MgF₂, MgCl₂, MgBr₂ являются нейтральными по отношению к оксиду алюминия Al₂О₃, 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↑+1/2 О₂↑ и Н₂↑=H↑+H↑.

Константа равновесия реакций диссоциации увеличивается с ростом температуры плазмы, которая максимальна в центре дуги и минимальна на ее границе. Удаление влаги и водорода основано на химическом связывании молекул Н₂О, H₂, 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. При сварке галогенидная соль может существовать в двух отдельных фазах, которые имеют разные значения энтальпии, энтропии и приведенной энергии Гиббса.

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

Вероятность химических реакций увеличивается с ростом констант равновесия химических реакций, которые для реакций с солями магния имеют более высокие положительные значения, табл.1

Таблица 1Значения логарифма константы равновесия химических реакций lg K_pТип реакции и температура, КСоль CaCl₂Соль MgCl₂Соль MgBr₂Соль MgI₂ Т_пл=1055 КТ_пл=987 КТ_пл=984 КТ_пл=923 К Т_кип=2300 КТ_кип=1691 КТ_кип=1500 КТ_кип=1200 КI1000-5,50,812,52000-0,91,91,9330000,52,11,932,540001,12,31,951,7II1000-31,8-22,7-22,5-212000-9,8-5,1-5-43000-2,80,60,40,840000,332,52,9III10009,210,43,94,420005,76,30,750,9530004,54,9-0,20,0340003,74,1-0,5-0,3IV1000-23,1-18,9-19,7-19,12000-8,5-5,9-6,3-6,053000-3,6-1,5-1,8-1,64000-1,20,60,450,5V1000-22,6-14,2-14-13,52000-6,6-2,2-2,3-2,23000-1,31,71,61,540001,43,73,63,5VI1000-26,9-16,7-17,2-14,92000-7,8-2,8-2,9-1,73000-1,81,41,11,740000,63,12,63VII1000-18,1-12,8-13,7-13,12000-6,5-3,6-4,1-3,83000-2,7-0,56-0,97-0,74000-0,80,90,60,75VIII1000-9,60,6-0,72,42000-2,22,72,73,83000-0,23,12,83,340000,83,22,853,4IX10001,254,453,64,1620000,121,91,41,783000-0,3510,680,864000-0,640,440,20,29

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 до размера 50 мкм 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 и на присадочную проволоку Св-08ХМФА диаметром 2 мм слоем толщиной 0,05 мм. Флюс имел состав, вес.%: гексафторалюминат лития 25%; двуокись титана 20%; оксид алюминия 10%; хлорид магния 15%; бромид магния 15%; йодид магния 15%. На другие образцы труб наносили слой флюса-прототипа, который имел состав, вес.%: гексафторалюминат лития 25%; двуокись титана 30%; окись алюминия 20%; хлорид кальция 25%. Сварка труб производилась на открытой монтажной площадке при относительной влажности среды 85%, при наличии потока воздуха, имеющего скорость 7 м/с. Сила тока составляла 100 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 2Результаты рентгенографического контроляВид 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 ¼ 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-прототипомОтдельные поры ⊘0,2 мм и 0,5 мм по периметру шва4. Сварка труб с предлагаемым флюсомПор нет5. Сварка труб с предлагаемым флюсомПор 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 или плавящимся электродом. Активирующий флюс содержит компоненты в следующем соотношении (вес.%): гексафторалюминат лития 20...30, двуокись титана 20...30, оксид алюминия 10...30, а также группу галогенидных солей магния - хлорид магния 10...20, бромид магния 10...20, иодид магния 10...20. Такой состав активирующего флюса обеспечивает снижение образования газовых пор, повышение проплавляющей способности дуги и стабильность формирования сварного шва. 2 табл.

Активирующий флюс для электродуговой сварки, содержащий гексафторалюминат лития, двуокись титана и оксид алюминия, отличающийся тем, что флюс содержит дополнительно группу галогенидных солей магния, а компоненты взяты в следующем соотношении, вес.%:

Гексафторалюминат лития20-30Двуокись титана20-30Оксид алюминия10-30Хлорид магния10-20Бромид магния10-20Йодид магния10-20