ФЛЮС ДЛЯ СВАРКИ Российский патент 2013 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварке, конкретно к электродуговой сварке под флюсом, в частности к флюсам, предназначенным для применения при сварке изделий, работающих при отрицательных температурах.

Известен, выбранный в качестве прототипа [1], плавленый флюс для электродуговой сварки хладостойких сталей, содержащий диокид кремния, оксид кальция, оксид магния, фтористый кальций, оксид алюминия, оксид марганца, оксид железа, который имеет основность 1,5-2,0 и содержит дополнительно оксид калия и натрия при следующем соотношении компонентов, вес.%: кремния диоксид SiO₂ - 21-27, кальция оксид CaO - 11-17, магния оксид MgO - 21-25, кальций фтористый CaF₂ - 14-20, алюминия оксид Al₂O₃ - 10-14, марганца оксид MnO - 4-7, (калия + натрия) оксиды Na₂O+K₂O - 2-5, железа оксид Fe₂O₃ - 1-3.

Существенными недостатками данного флюса для сварки являются:

- отсутствие углеродсодержащих составляющих, позволяющих проводить удаление кислорода в виде газообразных соединений CO и CO₂ не загрязняющих сварной шов оксидными неметаллическими включениями и как следствие повышающих механические свойства сварной конструкции.

- пониженные механические свойства сварного шва из-за высокого уровня содержания газов в сварном шве в связи с отсутствием защитного углекислого газа;

- повышенной загрязненности неметаллическими включениями в связи с пониженными рафинирующими свойствами образующегося шлака из-за высокой основности и повышенной температуры плавления последнего;

- высокая стоимость в связи с использованием дорогостоящих природных материалов и затрат, связанных с дроблением и измельчением;

- недостаточно устойчивое горение дуги из-за недостаточного количества элементов облегчающих возбуждение и стабилизирующих горение дуги (в частности натрия и калия);

- невысокая степень удаления водорода связанная с использованием только фторида кальция в качестве фторсодержащего компонента, выделяющего при диссоциации активный фтор, который в свою очередь, образуя газообразное соединение HF, удаляет водород.

Известен [2], флюс для сварки углеродистых и низколегированных сталей, содержащий диоксид кремния, оксид марганца, оксид кальция, оксид магния, оксид алюминия, оксид калия, оксид натрия, оксид железа, фторид кальция, который дополнительно содержит оксиды марганца при следующем соотношении компонентов, масс.%: диоксид кремния 35-45, оксид марганца (II) 25-40, оксид кальция 8-18, оксид магния 1-8, оксид алюминия 1-8, фторид кальция 2-8, сумма оксидов калия и натрия 0,5-3,0, оксид железа (III) 0,5-2,5, сумма оксидов марганца (III и IV) 0,2-4,0 при этом сумма оксидов железа (III) и марганца (III и IV) должна составлять 1-5 мас.% и при значениях этой суммы до 2,5 мас.% содержание оксида марганца (IV) должно составлять не менее 50% общего количества оксидов марганца (III и IV), а основность флюса должна отвечать следующему соотношению: B=(N_CaO+0,6 N_MgO++0,5 N_CaF2+0,5 N_MnO)/(N_SiO2+0,5 N_Al2O3)=0,76-0,95,где N - мольная доля соединения.

Существенными недостатками данного флюса для сварки являются:

- высокая окисленность (содержание оксидов марганца и железа) и отсутствие углеродсодержащих составляющих во флюсе, не позволяют проводить удаление кислорода в виде газообразных соединений CO и CO₂, что в свою очередь приводит к загрязнению сварного шва оксидными неметаллическими включениями и снижению механических свойств сварной конструкции;

- высокая стоимость в связи с использованием дорогостоящих природных материалов;

- недостаточно устойчивое горение дуги из-за недостаточного количества элементов, облегчающих возбуждение и стабилизирующих горение дуги (в частности натрия и калия);

- невысокая степень удаления водорода, связанная с использованием только фторида кальция в качестве фторсодержащего компонента, выделяющего при диссоциации активный фтор, который в свою очередь, образуя газообразное соединение HF, удаляет водород.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются:

- повышение механических свойств сварного шва за счет снижение загрязненности стали неметаллическими включениями,

- уменьшение содержания газов за счет создания дополнительной газовой защиты к результате окисления углерода;

- удаление водорода за счет связывания в нерастворимые соединения с фтором;

- снижение стоимости сварочного процесса за счет использования отходов производства.

- повышение устойчивости горения дуги и качества сварного шва

Для этого предлагается флюс для сварки, содержащий диоксид кремния, оксид марганца, оксид кальция, оксид магния, оксид алюминия, оксид калия, оксид натрия, оксид железа, фторид кальция, в котором в качестве материалов на основе диоксида кремния и оксида марганца используют пылевидные отходы производства ферросилиция; в качестве материалов на основе оксида кальция, оксида магния используют пылевидные отходы производства извести; в качестве материалов на основе оксида алюминия, оксида калия, оксида натрия, оксида железа и фторида кальция используют пылевидные отходы производства алюминия, а в качестве связующего материала содержащего оксид калия, оксид натрия используют калиево-натриевое жидкое стекло, при этом в качестве пылевидных отходов производства извести использована пыль газоочистки с содержанием CaO не менее 85 мас.%, в качестве пылевидных отходов производства ферросилиция использована пыль газоочистки ферросплавного производства с содержанием SiO₂ не менее 98 мас.%, а в качестве пылевидных отходов производства алюминия использована пыль электрофильтров, имеющая следующий химический состав, мас.%: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; K₂O=0,4-6%, CaO=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; C_общ=12,5-30,2, MnO=0,07-0,9, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18;

при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Пылевидные отходы производства извести 33,9-44,5 Пылевидные отходы производства ферросилиция 20,5-31,1 Пылевидные отходы производства алюминия 22-27 Жидкое стекло 8-13

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем исходя из качества получаемых при сварке швов, стабильности процесса сварки и требуемых механических свойств.

Введение в состав флюса пылевидных отходов производства извести позволяет за счет требуемого количества оксидов кальция и магния обеспечить рафинирующие (от неметаллических включений) и создать укрывные свойства получаемого сварочного шлака.

Введение в состав флюса пылевидных отходов производства ферросилиция обеспечивает требуемую основность флюса и вязкость получаемой при сварке шлаковой системы. Содержащиеся в пылевидных отходах производства ферросилиция оксиды железа и марганца повышают газопроницаемость шлакового слоя, в связи с чем необходимо их ограничение.

Введение в состав флюса пыли электрофильтров алюминиевого производства позволяет:

- проводить интенсивный углеродный кип за счет образования CO и CO₂ образующихся при взаимодействии фтористого углерода CF_x (1≥x>0) с растворенным в стали кислородом, при этом в связи с тем, что углерод находится в связанном состоянии, науглероживание стали практически не происходит;

- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений (типа Na₂SiF₆, NaF, KF, CF_x (1≥x>0), AlF₃, Na₃AlF₆) разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением F, который в свою очередь взаимодействует с водородом растворенным в стали с образованием газообразного соединения HF;

- повысить устойчивость горения дуги за счет элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги - калия и натрия.

Введение жидкого стекла обусловлено, с одной стороны, использованием его в качестве связующего заявляемого флюса, а, с другой стороны, как материала повышающего, за счет содержащегося калия и натрия, устойчивость горения дуги.

Для изготовления флюса для сварки использовали в качестве: пылевидных отходов производства извести - пыль газоочистки известкового производства с содержанием CaO не менее 85%;

пылевидных отходов производства ферросилиция - пыль газоочистки ферросплавного производства при плавке ферросилиция с содержанием SiO₂ не менее 98%;

пылевидных отходов производства алюминия - пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, мас.%: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; K₂O=0,4-6%, CaO=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; C_общ=12,5-30,2, MnO=0,07-0,9, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18;

жидкого стекла - калиево-натриевое жидкое стекло с плотностью при 15-25°C - 1,30-1,55 г/см³ и силикатным модулем [SiO₂:(K₂O+Na₂O)·1,0323]-2,6-3,0.

Изготовление заявляемого флюса для сварки проводили смешением заявляемых компонентов. Полученная смесь перемешивалась в течение 25-35 минут до получения однородной массы. Далее полученную смесь сушили при температуре 150-300°C в течении 20-30 мин, после чего производили помол. Далее осуществляли просев через сито (ячейка 3×3 мм). Гранулы большего размера отравлялись на перемол. Заявляемый флюс для сварки использовали на образцах из стали марки 09Г2С, сварку осуществляли проволокой Св-08ГА.

Влияние изменения химического состава компонентов с граничными, заграничными и заявляемыми пределами заявляемого флюса для сварки на механические свойства сварного шва (предела прочности - σ_B, Н/мм², предела текучести - σ_T, Н/мм², относительного удлинения δ, %, ударной вязкости при температуре минус 40°C KCU^-40C, Дж/см², а также содержание водорода [H], см³/100 г металла приведено в таблице. Следует отметить, что при изготовлении флюса с заграничными пределами не удалось получить полноценного флюса: при использовании жидкого стекла в соотношении 7,5 часть пылевидной фракции находится в несвязанном жидким стеклом состоянии (колонка 9), а при соотношении 13,5 часть жидкого стекла не усваивается массой пылевидных составляющих и затрудняет процесс изготовления флюса из-за большого налипания (колонка 1).

Использование заявляемой смеси по сравнению с базовой (прототип) позволяет:

1. Повысить ударную вязкость сварного шва за счет снижение загрязненности стали неметаллическими включениями.

2. Уменьшить содержание водорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты (не более 1 см³/100 г металла.

3. Снизить стоимость сварочного процесса за счет и использование отходов производства.

4. Улучшить формирование шва при сварке за счет стабилизации горения дуги.

Список источников, принятых во внимание при экспертизе:

1. Пат. РФ 2313434 B23K 35/362

2. Пат. СССР 1759229 B23K 35/362

Таблица Влияние соотношения ингредиентов флюса для сварки на механические свойства сварных швов Ингредиенты Содержание во флюсе, мас.% Вариант   1 2 3 4 5 6 7 8 9 Пылевидные отходы производства извести 33,5 39,4 34,9 33,9 36,74 40,29 42,96 44,5 45 Пылевидные отходы производства ферросилиция 31,5 25,6 30,1 31,1 28,26 24,71 22,04 20,5 20 Пылевидные отходы производства алюминия 21,5 22 23 25 24 26 24 27 27,5 Жидкое стекло 13,5 13 12 10 11 9 11 8 7,5 σ_B, Н/мм²   500 510 515 508 518 522 510   σ_T, Н/мм²   350 362 360 370 357 362 358   δ, %   21 21 21 21 22 22 21   KCU^-40C, Дж/см²   122 134 118 128 122 125 123   [Н], см3/100 г мет   0,8 0,7 0,7 0,5 0,4 0,5 0,4  

Изобретение может быть использовано при сварке изделий, работающих при отрицательных температурах. Флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: пылевидные отходы производства извести 33,9-44,5, пылевидные отходы производства ферросилиция 20,5-31,1, пылевидные отходы производства алюминия 22-27, жидкое стекло 8-13. Флюс обеспечивает повышение механических свойств сварного шва за счет снижения загрязненности стали неметаллическими включениями, уменьшение содержания газов за счет создания дополнительной газовой защиты в результате окисления углерода, удаление водорода за счет связывания в нерастворимые соединения с фтором, повышение устойчивости горения дуги и качества сварного шва, а также снижение стоимости сварочного процесса за счет использования отходов производства. 1 табл.

Флюс для сварки, содержащий диоксид кремния, оксид марганца, оксид кальция, оксид магния, оксид алюминия, оксид калия, оксид натрия, оксид железа, фторид кальция, отличающийся тем, что в качестве материалов на основе диоксида кремния и оксида марганца использованы пылевидные отходы производства ферросилиция, в качестве материалов на основе оксида кальция, оксида магния использованы пылевидные отходы производства извести, в качестве материалов на основе оксида алюминия, оксида калия, оксида натрия, оксида железа и фторида кальция использованы пылевидные отходы производства алюминия, а в качестве связующего материала, содержащего оксид калия и оксид натрия, использовано калиево-натриевое жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пылевидные отходы производства извести 33,9-44,5 Пылевидные отходы производства ферросилиция 20,5-31,1 Пылевидные отходы производства алюминия 22-27 Жидкое стекло 8-13,

при этом в качестве пылевидных отходов производства извести использована пыль газоочистки с содержанием CaO не менее 85 мас.%, в качестве пылевидных отходов производства ферросилиция использована пыль газоочистки ферросплавного производства с содержанием SiO₂ не менее 98 мас.%, а в качестве пылевидных отходов производства алюминия использована пыль электрофильтров, имеющая следующий химический состав, мас.%: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; K₂O=0,4-6; CaO=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; C_общ=12,5-30,2; MnO=0,07-0,9; MgO=0,06-0,9; S=0,09-0,59; P=0,1-0,18.