СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к области производства сварочных материалов и может быть использовано в различных областях промышленности для сварки высокопрочных сталей с пределом текучести от 700 до 1000 МПа.

Известны электроды, используемые для указанной цели в соответствующих отраслях промышленности типа Н-1. Эти электроды не отвечают современным требованиям в части служебных характеристик таких, как прочность и ударная вязкость металла шва, кроме того, они склонны к образованию стартовых пор и обеспечивают в наплавленном металле повышенное содержание водорода.

Наиболее близким к заявочному электроду по назначению и составу компонентов и взятым в качестве прототипа является электрод марки Н-1 типа Э60 (Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов, И.А.Закс, изд. СПб.: "WELCOME", 1996 г., стр.336, 337), состоящий из стержня-проволоки марки Св-08ХН2М и электродного покрытия, содержащего, мас.%:

Мрамор54,0Плавиковый шпат18,0Кварцевый песок9,0Ферромарганец (марганец металлический)2,0Ферротитан14,0Ферросилиций3,0Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты28,0-30,0

Основными недостатками этих электродов является пониженная ударная вязкость металла шва при отрицательных температурах до минус 40°С, низкий уровень прочностных характеристик, высокое содержание диффузионного водорода в наплавленном металле, в связи с чем необходим предварительный подогрев кромок не менее 100°С, кроме того, электроды склонны к образованию стартовых пор.

Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки высокопрочных сталей, работающих при температурах до минус 40°С, обеспечивающего высокую прочность и ударную вязкость металла шва, низкое содержание диффузионного водорода и склонность к пористости.

Технический результат достигается тем, что электрод, состоящий из стержня-проволоки марки Св-03ХН3МД, Св-07ХН3МД и электродного покрытия, содержащего мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, марганец металлический, ферротитан и жидкое стекло натриевое, согласно изобретению дополнительно содержащего двуокись титана, алюминиевый порошок и совместную композицию окислов РЗМ и железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор37,0-52,0Плавиковый шпат18,0-26,0Кварцевый песок3,0-10,0Двуокись титана3,0-12,0Ферросилиций0,5-5,0Ферротитан5,0-14,0Ферромарганец (марганец металлический)1,0-5,0Окислы РЗМ0,1-1,0Окислы железа0,2-3,0Алюминиевый порошок0,2-4,0Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты23,0-28,0

при этом отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов железа должно быть не более 0,5.

Повышение сварочно-технологических характеристик электродов и снижение склонности металла шва к пористости объясняется введением в покрытие окислов РЗМ и железа и двуокиси титана, которые совместно с композицией мрамор - плавиковый шпат - кварцевый песок позволяют получать благоприятное формирование металла шва, самопроизвольную отделимость шлаковой корки и низкое содержание диффузионного водорода.

Введение в покрытие окислов РЗМ и железа приводит к уменьшению содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и склонности к пористости. Увеличение содержания окислов РЗМ и железа в покрытии (более 4%) затрудняет производство сварки в положениях, отличных от нижнего и приводит к окислению легирующих элементов, при этом превышение отношения содержания окислов РЗМ к железу более 0,5 приводит к увеличению неметаллических включений и снижению вязкости металла шва.

Введение в покрытие двуокиси титана в количестве 3-12% и алюминиевого порошка от 0,2 до 4% позволяет получить, наряду с хорошими сварочно-технологическими свойствами и высокой стойкостью металла шва к порообразованию, гарантированное содержание 0,015-0,02% титана в металле шва, что способствует повышению ударной вязкости при отрицательных температурах. Увеличение содержания в покрытии двуокиси титана более 12% и алюминиевого порошка более 4% приводит к повышению содержания в металле шва титана и как следствие снижению механических характеристик металла шва. Совместное влияние компонентов покрытия позволяет получать металл шва с минимальным количеством дефектов и мелкозернистой бейнитно-мартенситной структурой, что позволяет обеспечить высокую ударную вязкость при температурах до минус 40°С.

Был проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по изготовлению, испытанию и практическому опробованию электродов для сварки высокопрочных сталей. Были выполнены слитки стали марки Св-03ХН3МД или Св-07ХН3МД с химическим составом приведенным в таблице 1, из которых путем ковки с последующей прокаткой и волочением получены металлические стержни ⊘ 4 мм.

Электроды были изготовлены в опытном производстве на установке для производства покрытых электродов швейцарской фирмы «Эрликон».

Опытные образцы электродов испытывались на высокопрочных сталях с пределом текучести более 800 МПа. Сварку производили на постоянном токе обратной полярности без предварительного подогрева. Режимы сварки были следующими: Iсв.=150-170А, Uд=22-24В, положение шва нижнее. Температура предварительного подогрева 50°С. Визуальный осмотр и радиографический контроль металла шва показал отсутствие недопустимых дефектов: трещин, непроваров, прожогов, крупных неметаллических включений.

Из металла сварных швов, полученного электродами предлагаемого и известного составов, изготовлены и испытаны образцы для определения химического состава и механических свойств.

Химический состав покрытий предлагаемого и известного сварочного электрода представлен в таблице 2. Данные сравнительных испытаний механических свойств металла шва представлены в таблице 3.

Таблица 1Химический состав стали марки Св-03ХН3МД и Св-07ХН3МДМарка проволокисSiMnCrNiMoCuSРне болееСв-07ХН3МД0,04-0,09Н.б. 0.20,3-0,60,85-1,102,8-3,20,5-0,650,8-1,150,0120,015Св-03ХН3МДН.б. 0,05Н.б. 0,20,5-0,80,6-0,82,3-2,90,4-0,60,8-1,00,0120,015

Таблица 2Химический состав покрытий известного и заявленного электродовСостав№ составаСостав покрытия, масс.%Плавиковый
шпатКварцевый
песокДвуокись
титанаФерротитанФерросилицийФерромарганец (марганец мет)МраморОкислы РЗМОкислы железаОтношение окислов РЗМ к окислам железаАлюминиевый порошокЖидкое стекло к массе сух. шихтыЗаявляемый1181012555371,03,00,3342322167933470,51,50,3322532633140,51520,10,20,500,228Изв.4189 143254    28-30

Таблица 3Результаты сравнительных испытаний известных и заявляемых электродовСостав№Механические характеристики металла шваКол-во пор (св. тавр. пробы)Водород в см³ на 100 г.н.мσ₀₂, МПаσ_в, МПаδ, %Работа удара KV, ДжТ=0°СТ=-20°СТ=-40°СЗаявляемый181985418102533800,828108481793644500,638358831782684300,3Изв.45306601780453581,8Примечание:1. Данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на одну точку.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав по сравнению с известным позволяет получить более высокие прочностные характеристики металла шва. Кроме того, заявленный электрод обеспечивает более низкое содержание водорода и отсутствие пор в металле шва и позволяет снизить температуру предварительного подогрева кромок.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении надежности и долговечности конструкций, за счет повышения прочности металла шва и снижения пористости.

Электрод может быть использован для сварки с незначительной 50°С температурой предварительного подогрева высокопрочных сталей мартенситного и бейнитного класса. На стержень электрода из проволоки марки Св-03ХН3МД или Св-07ХН3МД нанесено покрытие, содержащее компоненты в следующем соотношении, мас.%: мрамор 37,0-52,0, плавиковый шпат 18,0-26,0, кварцевый песок 3,0-10,0, двуокись титана 3,0-12,0, ферросилиций 0,5-5,0, ферротитан 5,0-14,0, ферромарганец или марганец металлический 1,0-5,0, окислы РЗМ 0,1-1,0, окислы железа 0,2-3,0, алюминиевый порошок 0,2-4,0, жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты 23,0-28,0. Отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов железа должно быть не более 0,5. Электрод имеет высокие служебные и сварочно-технологические характеристики. 3 табл.

Электрод для сварки высокопрочных сталей, включающий стержень из проволоки марки Св-03ХНЗМД или Св-07ХН3МД и электродное покрытие, содержащее мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, ферромарганец или марганец металлический, ферротитан и жидкое стекло натриевое, отличающийся тем, что электродное покрытие дополнительно содержит двуокись титана, алюминиевый порошок, окислы РЗМ и окислы железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор37,0-52,0Плавиковый шпат18,0-26,0Кварцевый песок3,0-10,0Двуокись титана3,0-12,0Ферросилиций0,5-5,0Ферротитан5,0-14,0Ферромарганец или марганец металлический1,0-5,0Окислы РЗМ0,1-1,0Окислы железа0,2-3,0Алюминиевый порошок0,2-4,0Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты23,0-28,0,

при этом отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов

железа составляет не более 0,5.