ПЛАВЛЕНЫЙ ФЛЮС ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ Российский патент 2007 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к области производства сварочного флюса, используемого для механизированной сварки современных корпусов атомных реакторов и других сосудов высокого давления в энергетическом машиностроении и нефтехимии.

В настоящее время для механизированной дуговой сварки низколегированных сталей в атомном энергомашиностроении широко используется флюс марки ФЦ-16А (ОСТ 24.948.02-99, табл.1).

Флюс ФЦ-16А содержит в своем составе SiO₂, СаО, Al₂О₃, CaF₂, MnO, MgO, NaF при следующем соотношении компонентов, мас.%

SiO₂26-32СаО15-21Al₂О₃17-21CaF₂12-18MnO3-6MgO6-9NaF3-8примеси Fe₂O₃не более 1,0Sне более 0,01Рне более 0,01

Флюс обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, однако его применение приводит к повышенному содержанию диффузионно-подвижного водорода в металле шва - 4,6-5,0 см³ при требуемом - не более 3,0 см³ на 100 г наплавленного металла. Это приводит к порообразованию и риску возникновения холодных трещин в металле шва. Указанный недостаток обусловлен повышенным содержанием основных окислов и компонентов СаО, CaF₂, MnO, MgO, NaF относительно содержания кислых окислов SiO₂, Al₂O₃ в составе флюса и его низкой окисляющей способностью.

Флюс SU 1754377 А1 В23К 35/362 содержит в своем составе SiO₂, СаО, Al₂О₃, CaF₂, MnO, MgO, Fe₂O₃, TiO₂, K₂O и/или Na₂O при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO₂16-28СаО2-7Al₂О₃14-22CaF₂2-8MnO10-20TiO₂16-21MgO11-16Fe₂O₃2-6K₂O и/или Na₂O0,5-4

при этом должно выполняться соотношение: K₂O+Na₂O/ CaF₂≥0,11.

Благодаря наличию компонентов, повышающих окисляющую способность флюса, таких как TiO₂ и Fe₂О₃, флюс позволяет получать швы без пор и с содержанием водорода не более 3,0 см³ на 100 г наплавленного металла.

Недостатком флюса является высокое содержание MnO. Содержание марганца более 13-15% приводит к увеличению активности MnO, за счет чего получает развитие реакция 2(МпО)↔2[Mn]+2{O}. Реакция восстанавливает марганец, который переходит в наплавленный металл, тем самым снижая сопротивляемость металла к тепловому охрупчиванию.

Известен также сварочный флюс SU 1754378 А1, взятый в качестве прототипа, содержащий в своем составе SiO₂, TiO₂, СаО, Al₂О₃, CaF₂, MnO, Cr₂О₃, Fe₂О₃, S, Р при следующем соотношении компонентов, мас.%

SiO₂20-25СаО13-18Al₂О₃13-18CaF₂20-30MnO7-13TiO₂3-10Cr₂O₃0,3-4Fe₂O₃0,4-0,9S0,01-0,005Р0,01-0,005

при этом должно выполняться соотношение: 1,1≤SiO₂+Cr₂O₃/ СаО≤2,2.

Флюс позволяет обеспечить металл хорошего качества с высокими механическими свойствами при удовлетворительной отделимости шлаковой корки.

К недостаткам флюса можно отнести следующие:

- неудовлетворительное формирование металла шва при сварке на скоростях выше 28 м/ч в связи со значительным ухудшением стабильности дугового процесса при увеличении скорости сварки;

- отсутствие стабильности получения удовлетворительных технологических свойств при сварке швов толщиной более 50 мм и углом раскрытия кромок менее 8° (Содержание TiO₂ на верхнем приделе, при одновременном содержании SiO₂ на нижнем, приводит к появлению пор при наплавке валиков, находящихся по высоте шва выше 50 мм. Содержание TiO₂ на нижнем приделе, при одновременном содержании SiO₂ на верхнем, ведет к плохому отделению шлаковой корки при сварке в разделку с углом раскрытия кромок менее 8°.);

- наличие во флюсе Cr₂O₃ приводит к образованию высокотоксичных аэрозолей (хромовый ангидрит, хроматы, бихроматы) в воздухе при изготовлении и использовании флюса. Эти вещества имеют 1 класс опасности. При изготовлении и использовании этого флюса содержание в воздухе этих аэрозолей значительно превышает ПДК (0,01 мг/м³).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:

- обеспечение хорошего формирования металла шва на скоростях сварки выше 28 м/ч, при сварке в разделку с углом раскрытия кромок менее 8°;

- стабильность получения наплавленного металла без пор при толщине шва более 50 мм;

- обеспечение санитарно-гигиенических норм по ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны при изготовлении и использовании флюса.

Технический результат достигается тем, что плавленый флюс для механизированной сварки низколегированной стали, содержащий SiO₂, CaO, Al₂О₃, CaF₂, MnO, TiO₂ и имеющий ограничения по примесям, согласно изобретению дополнительно содержит К₂О при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO₂20-27CaO12-18Al₂О₃13-18CaF₂20-33MnO7-13TiO₂3-10К₂O1-5примеси Fe₂О₃не более 1,5Sне более 0,01Рне более 0,01

при этом должно выполняться соотношение: 0,15≤TiO₂/SiO₂≤0,40.

Добавка К₂O во флюс улучшает ионизацию и стабильность горения дуги, обеспечивая тем самым хорошее формирование металла шва на скоростях сварки выше 28 м/ч. Уменьшение содержания К₂O менее 1% приводит к неудовлетворительному формированию металла шва при сварке на скоростях выше 28 м/ч в связи со значительным ухудшением стабильности дугового процесса вследствие сокращения количества легкоионизируемых атомов калия. С другой стороны увеличение содержания К₂O более 5% приводит к пористости металла шва.

Установленное соотношение 0,15≤TiO₂/SiO₂≤0,40 позволяет гарантировать хорошие технологические свойства флюса при сварке с углом раскрытия кромок менее 8° и толщине свариваемых деталей более 50 мм. При величине указанного соотношения ниже 0,15 шлак становится более вязким и "длинным", что приводит к ухудшению отделимости шлаковой корки, особенно это проявляется при сварке в узкую разделку (угол раскрытия кромок менее 8°). При превышении указанного соотношения более 0,40 наблюдается поры в наплавленных валиках, расположенных по высоте шва выше 50 мм. Это вызвано тем, что уменьшение содержания SiO₂ при одновременном увеличении содержания TiO₂ снижает стойкость флюса против гидратации, увеличивая тем самым концентрацию водорода в металле шва.

Оксид хрома исключен с целью обеспечения санитарно-гигиенических норм по ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны при изготовлении и использовании флюса.

Экспериментально установлено, что содержание Fe₂О₃ до 1,5% не приводит к угару легирующих компонентов металла в количествах, влияющих на физико-механические свойства наплавленного металла. Нижний предел содержания Fe₂O₃ исключен в связи с тем, что хорошая отделимость шлаковой корки обеспечивается соотношением 0,15≤TiO₂/SiO₂.

Флюс изготавливается методом, применяемым для изготовления плавленых сварочных флюсов, т.е. сплавлением исходного сырья (мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, глинозем, марганец, рутил и поташ) во флюсоплавильных печах с последующей грануляцией расплава водой.

Для лабораторных испытаний были изготовлено 6 опытных плавок флюса с различным содержанием основных компонентов: SiO₂, СаО, Al₂О₃, CaF₂, MnO, TiO₂, K₂O (табл.1). Сварка пластин из стали марки 15Х2МФА (ТУ 108.131-86) производилась проволокой марки Св-10ХМФТУ ⊘4 мм (ТУ 14-1-4818-90) (химический состав в табл.2) на следующих режимах:

Iсв=550-600А, Uд=30-34В, Vсв=28-34 м/ч.

Угол раскрытия кромок составлял 2°±30^/.

Толщина свариваемых пластин 90 мм.

При испытаниях оценивались следующие параметры:

- химический состав металла шва;

- формирование наплавленного валика;

- отделимость шлаковой корки;

- наличие пор в металле шва;

- концентрация соединений Cr в воздухе рабочей зоны.

В таблицах 1, 2 и 3 приведены результаты сравнительных испытаний опытных плавок флюса и прототипа при сварке проволокой марки Св-10ХМФТУ в узкую разделку.

Результаты подтверждают ухудшение отделимости шлаковой корки при 0,15>TiO₂/SiO₂ и возникновение пор при TiO₂/SiO₂>0,4. С введением К₂О во флюс формирование металла шва становиться удовлетворительным при скорости сварки выше 28 м/ч.

Оптимальные пределы содержания компонентов плавленого флюса заявленного состава, а также их соотношения определяли по технологическим свойствам и результатам определения химического состава наплавленного металла. Результаты испытаний подтвердили высокие технологические свойства заявленного флюса при сварке на повышенных скоростях больших толщин.

Таким образом, предлагаемый плавленый флюс для механизированной сварки сталей перлитного класса позволяет вести сварку на повышенных скоростях с углом раскрытия кромок менее 8° на толщинах свыше 50 мм. Технико-экономический эффект при использовании предлагаемого флюса выразится в снижении трудозатрат за счет:

- снижения массы наплавленного металла за счет уменьшения угла разделки;

- уменьшения трудоемкости при зачистке шва и исправлении дефектов (удалении пор), а также за счет снижения расходов на охрану труда (вентиляцию).

Таблица 3
Химический состав наплавленного металла№ пробыСодержание элементов в металле шваСSiMnCrVTiМоРSCu10,040,320,851,520,160,010,450,0110,0120,0720,060,240,721,650,200,020,440,0100,0110,0730,070,260,681,630,200,030,430,0120,0100,0740,050,280,701,650,190,030,450,0110,0090,0750,060,210,701,630,200,030,450,0100,0100,0760,050,250,711,630,190,030,440,0100,0100,07Прототип0,040,330,921,460,150,010,440,0140,0110,07

Таблица 4
Содержание в воздухе рабочей зоны аэрозолей соединений хрома№плавкисодержание в воздухе рабочей зоны аэрозолей соединений хрома (хромовый ангидрит, хроматы, бихроматы в пересчете на Cr₂О₃)при изготовлении флюсапри использовании флюсамг/м³Опытн. пл. 10,0860,013Опытн. пл. 20,0790,021Опытн. пл. 30,0850,015Опытн. пл. 40,0910,011Опытн. пл. 50,0850,016Опытн. пл. 60,0830,013SU1754378 А1 (прототип)4,7851,670

Изобретение относится к области производства сварочного флюса, используемого для механизированной сварки современных корпусов атомных реакторов и других сосудов высокого давления в энергетическом машиностроении и нефтехимии. Плавленый флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: SiO₂ 20-27, CaO 12-18, Al₂O₃ 13-18, CaF 20-33, MnO 7-13, TiO₂ 3-10, К₂О 1-5 и примеси Fe₂O₃ не более 1,5, S не более 0,01, Р не более 0,01, при этом должно выполняться соотношение: 0,15≤TiO₂/SiO₂≤0,40. Флюс обеспечивает повышение надежности и ресурса изготавливаемого оборудования за счет снижения температуры хрупковязкого перехода (Тк₀) металла шва. Возможность вести сварку на скоростях сварки выше 28 м/ч позволит снизить трудоемкость процесса изготовления сварных конструкций. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Плавленый флюс для механизированной сварки низколегированной стали, содержащий SiO₂, СаО, Al₂О₃, CaF₂, MnO, TiO₂, отличающийся тем, что он дополнительно содержит К₂О при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO₂20-27СаО12-18Al₂O₃13-18CaF₂20-33MnO7-13TiO₂3-10К₂О1-5и примеси не более 1,52,

при этом 0,15≤TiO₂/SiO₂≤0,40.

Fe₂O₃не более 1,5S не более 0,010Р не более 0,010