КОМПОЗИЦИОННАЯ СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА Российский патент 2011 года по МПК B23K35/02 B23K35/10 

Предлагаемое изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено при сварке и наплавке металлических деталей в среде защитного газа.

Известна электродная проволока (Патон Б.Е., Воропай Н.М., Бучинский В.Н., Козлов Е.И., Фенев С.В. Авторское свидетельство СССР № 671960, В23К 35/02 от 01.12.77 г.), поверхность которой выполнена с микронеровностями, впадины которых содержат активирующий флюс. Внедрение флюса во впадины микронеровностей позволяет улучшить электрический контакт проволоки с токоподводящим мундштуком сварочной горелки при механизированной сварке. Однако для формирования микронеровностей требуется механическая или химическая обработка, что увеличивает трудоемкость изготовления проволоки. Активирующий флюс распределен неравномерно по поверхности проволоки, что может приводить к нестабильному поступлению флюса в зону горения дуги.

Известна сварочная электродная проволока (Патон Б.Е., Воропай Н.М., Никифоров Б.А. и др. Сварочная электродная проволока. В23К 35/06, 35/10. Авторское свидетельство СССР № 1696231 от 09.02.1987 г. Бюл. № 45 от 07.12.1991 г.). Данная проволока состоит из металлического стержня с внутренним каналом, полость которого заполнена шлакообразующими и легирующими компонентами, а на внешнюю и внутреннюю поверхность стержня нанесено металлическое покрытие. Указанная проволока улучшает капельный перенос электродного металла, однако она не имеет в составе активирующего флюса и не способна увеличить глубину проплавления металла. Кроме того, изготовление проволоки отличается повышенной трудоемкостью, что увеличивает стоимость проволоки.

Известна сварочная активированная проволока для сварки и наплавки (Паршин С.Г., Паршин С.С. Сварочная активированная проволока. МПК⁷ В23К 35/365, В23К 35/04. Патент РФ № 2294272 от 01.11.2005 г. Бюл. № 6 от 27.02.2007 г.), которая принята за прототип. Указанная проволока состоит из металлического стержня и нанесенного на стержень композиционного покрытия с активирующим флюсом. Покрытие состоит из металлической матрицы с равномерно распределенной в ней дисперсной фазой из порошка активирующего флюса. Активированная проволока позволяет увеличить глубину проплавления металла и улучшить капельный перенос электродного металла в сварочную ванну. Однако композиционное покрытие выполнено из порошка флюса с размером частиц 10-100 мкм, что увеличивает пористость композиционного покрытия и приводит к абсорбции влаги гигроскопичными компонентами флюса. Это ухудшает качество сварки и способствует образованию газовых пор.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение глубины проплавления металла и улучшение капельного перехода металла за счет нанесения на поверхность проволоки композиционных покрытий.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что на сварочной проволоке размещают активирующий флюс. В отличие от прототипа на сварочной проволоке размещают два композиционных покрытия - внутреннее и внешнее, которые состоят из металлической матрицы и дисперсной фазы - активирующего флюса. При этом гигроскопичные компоненты активирующего флюса, например из хлористых или бромистых солей, размещаются во внутреннем композиционном покрытии, а фтористые соли размещаются во внешнем композиционном покрытии, которое наносят на поверхность внутреннего композиционного покрытия.

В качестве металлической матрицы используют металл, например медь Сu, молибден Мо, титан Ti, алюминий Аl, никель Ni, хром Сr, а в качестве дисперсной фазы применяют порошок активирующего флюса, состоящий из оксидов и солей. Перед нанесением композиционных покрытий на проволоку, а также на поверхность композиционных покрытий может наноситься металлическое покрытие. Данное покрытие улучшает адгезионную способность композиционных покрытий и снижает переходное электросопротивление между покрытиями и проволокой.

Такое сочетание известных и новых признаков позволяет увеличить глубину проплавления металла, улучшить капельный переход и уменьшить влагопоглощение гигроскопичными компонентами флюса. Это становится возможным, поскольку композиционные покрытия содержат активирующий флюс, который контрагирует дугу и снижает межфазное натяжение металла. Дисперсия активирующего флюса распределена равномерно в объеме металлической матрицы, поэтому композиционные покрытия обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью [см. Сайфуллин Р.С. Физикохимия неорганических полимерных и композиционных материалов. М.: Химия, 1990 г., 239 с.]. Это позволяет обеспечить надежный электрический контакт с токоподводящим мундштуком горелки при длительном протекании сварочного тока. Для уменьшения влагопоглощения гигроскопичную дисперсную фазу размещают во внутреннем композиционном покрытии, которое прилегает к металлическому стержню, а негигроскопичную дисперсную фазу размещают во внешнем композиционном покрытии, которое контактирует с атмосферой.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где показан вид проволоки с металлическими и композиционными покрытиями. Предлагаемая проволока состоит из металлического стержня 1, на котором располагаются внутреннее и внешнее композиционные покрытия 2, 3, состоящие из металлической матрицы 4 с равномерно распределенными по объему матрицы гигроскопичными частицами активирующего флюса 5 и негигроскопичными частицами активирующего флюса 6. Перед нанесением композиционного покрытия на поверхность сварочной проволоки может наноситься внутреннее металлическое покрытие 7. После нанесения композиционного покрытия на его поверхность может наноситься внешнее покрытие 9 и/или промежуточное металлическое покрытие 8.

Цель изобретения достигается тем, что на поверхность сварочной проволоки наносят композиционные покрытия, состоящие из смеси металла (металлической матрицы) и активирующего флюса (дисперсной фазы). Композиционные покрытия обеспечивают хороший электрический контакт проволоки с токоподводящим мундштуком горелки и эффективное воздействие на дугу активирующих компонентов покрытий, которые контрагируют дугу и увеличивают ее проплавляющую способность (Симоник А.Г., Петиашвили В.И., Иванов А.А. Эффект контракции дугового разряда при введении электроотрицательных элементов // Сварочное производство, № 3, 1976, с.49). При плавлении покрытий образуется шлаковая пленка, которая снижает межфазное натяжение металла. Это уменьшает диаметр и массу капель, что улучшает капельный переход электродного металла в сварочную ванну.

Технология изготовления предлагаемой проволоки может быть выполнена известным в промышленности способом [см. Сайфуллин Р.С. Композиционные электрохимические покрытия и материалы. М.: Химия, 1972 г., 168 с.]. Очищенную сварочную проволоку погружают в электролитическую ванну, которая содержит взвешенный в электролите мелкодисперсный порошок активирующего флюса в нужной концентрации. В зависимости от состава флюса и металлической матрицы для нанесения покрытий применяют сульфатный, солевой, цианидный или фосфатный электролиты. Сварочную проволоку подключают к отрицательному полюсу источника питания. При действии поляризационных сил на поверхности сварочной проволоки осаждаются частицы активирующего флюса и одновременно положительные ионы восстановленного из электролита металла. Для равномерного распределения частиц флюса в объеме электролита ванну продувают аргоном. В результате на проволоке образуется композиционное покрытие толщиной 0,25-100 мкм, с равномерно распределенным по объему активирующим флюсом. Для нанесения металлических покрытий используется электролит без активирующего флюса. После нанесения покрытий проволока сушится и сматывается в бухты для применения при механизированной или автоматической сварке.

В качестве примера применения предлагаемой проволоки можно привести наплавку композиционными проволоками на трубу диаметром 273 мм толщиной 10 мм из углеродистой стали. Сварочную проволоку Св-08Г2С диаметром 1,6 мм последовательно помещали в электролитические ванны, содержащие раствор медьсодержащего электролита с активирующим флюсом из гигроскопичного хлорида КСl и из негигроскопичных фторидов CaF₂, BaF₂, SrF₂, NaF. При общей выдержке проволоки в течение 10 минут при плотности тока 2 А/дм² на поверхность проволоки нанесли два композиционных покрытия общей толщиной 20 мкм, состоящих из медной матрицы и активирующего флюса. При этом изготовили два вида композиционной проволоки: с покрытиями (Cu+KCl)+(Cu+CaF₂-BaF₂-SrF₂) и с покрытиями (Cu+KCl)+(Cu+NaF).

Полученные композиционные сварочные проволоки испытывали при автоматической наплавке пластин из низкоуглеродистой стали в среде аргона и углекислого газа. Среднюю глубину проплавления Н_пр определяли по поперечным макрошлифам после травления в азотной кислоте. При сварке в среде углекислого газа при скорости подачи проволоки 5 м/мин глубина проплавления стали увеличилась на 18,2-26%. В среде аргона при скорости подачи проволоки 5 м/мин глубина проплавления стали увеличилась на 36,7-47,6%, см. табл.1.

Таблица 1 Средняя глубина проплавления при наплавке композиционной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,6 мм Наименование проволоки Н_пр, мм при скорости сварки, см/мин в среде аргона Н_пр, мм при скорости сварки, см/мин в среде углекислого газа 30 40 50 30 40 50 Обыкновенная проволока без флюса 3 2,8 2,4 3,2 3 2,7 Композиционная проволока с флюсом (Cu+KCl)+(Cu+CaF₂-BaF₂-SrF₂) 4,1 3,9 3,4 3,9 3,6 3,2

Исследования капельного перехода производили с помощью видеокамеры «PCI 8000S Motion Scope» с объективом «Lens-18-108» с частотой съемки 2000 кадров в секунду при наплавке на трубу диаметром 273 мм с толщиной стенки 10 мм. При сварке в среде углекислого газа при обратной полярности частота образования капель увеличилась до 2,66 раза, а диаметр капель уменьшился до 1,4 раза. При сварке в среде аргона при обратной полярности частота образования капель увеличилась до 1,64 раза, а диаметр капель уменьшился до 1,75 раза. Также уменьшилась длительность коротких замыканий и время паузы между короткими замыканиями, см. табл.2, 3.

Таблица 2 Характеристики капельного перехода при наплавке композиционной проволокой в среде углекислого газа. Скорость подачи проволоки 5,0 м/мин Наименование проволоки Частота капель, штук/с Диаметр капель,мм Длительность коротких замыканий, с Время паузы между короткими замыканиями, с Обыкновенная проволока без флюса 6-8 3,2-4,5 0,007-0,015 0,08-0,12 (Cu+KCl)+(Cu+CaF₂-BaF₂-SrF₂) 12-14 3,6-4,5 0,006-0,01 0,07-0,09 (Cu+KCl)+(Cu+NaF) 14-16 3,2-3,5 0,006-0,01 0,06-0,09

Таблица 3 Характеристики капельного перехода при наплавке композиционной проволокой в среде аргона. Скорость подачи проволоки 5,2 м/мин Наименование проволоки Частота капель, штук/с Диаметр капель, мм Длительность коротких замыканий, с Время паузы между короткими замыканиями, с Обыкновенная проволока без флюса 28-30 2,5-3,5 0,0045-0,0055 0,018-0,03 (Сu+КСl)+(Сu+СаF₂-ВаF₂-SrF₂) 38-42 2,5-2,7 0,0045-0,0055 0,015-0,022 (Cu+KCl)+(Cu+NaF). 38-46 2-2,2 0,004-0,0075 0,009-0,015

Таким образом, предлагаемая композиционная проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в увеличении глубины проплавления металла и улучшении капельного перехода электродного металла, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано при дуговой сварке и наплавке металлических деталей. На металлический стержень нанесено композиционное покрытие, выполненное из металлической матрицы с равномерно распределенной в ней дисперсной фазой из порошка активирующего флюса. Внутреннее и внешнее композиционное покрытие содержит различающийся по химическому составу активирующий флюс. Для уменьшения влагопоглощения внутреннее композиционное покрытие включает порошок активирующего флюса, содержащий гигроскопичные компоненты. Композиционная проволока может содержать металлическое покрытие, нанесенное на поверхность металлического стержня и/или на поверхность внутреннего и/или внешнего композиционного покрытия. Композиционная сварочная проволока позволяет увеличить глубину проплавления металла, улучшить капельный переход и уменьшить влагопоглощение гигроскопичными компонентами флюса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Композиционная сварочная проволока для сварки и наплавки, содержащая металлический стержень и нанесенное на него композиционное покрытие, выполненное из металлической матрицы с равномерно распределенной в ней дисперсной фазой из порошка активирующего флюса, отличающаяся тем, что композиционное покрытие состоит из внутреннего и внешнего композиционных покрытий, различающихся по химическому составу активирующего флюса, причем внутреннее композиционное покрытие включает порошок активирующего флюса, содержащего гигроскопичные компоненты.

2. Композиционная проволока по п.1, отличающаяся тем, что она содержит металлическое покрытие, нанесенное на поверхность металлического стержня и/или на поверхность внутреннего и/или внешнего композиционного покрытия.