КЕРАМИЧЕСКИЙ ФЛЮС ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ Российский патент 2013 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварке и касается состава керамического флюса для автоматической сварки и наплавки изделий из высоколегированных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, работающих в различных отраслях машиностроения, например, в тяжелом, энергетическом, транспортном, нефтехимическом и др. отраслях народного хозяйства.

Известен керамический флюс для автоматической сварки низколегированных сталей, содержащий плавиковый шпат, электрокорунд, обожженный магнезит, марганец металлический, ферротитан, ферробор и связующую добавку, содержащий дополнительно ферросилиций в количестве 0,2-0,5 по отношению к количеству марганца металлического, а также сфеновый концентрат и титаномагнетит, а в качестве связующей добавки - силикат натрия-калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Плавиковый шпат 22-30 Электрокорунд 14-25 Обожженный магнезит 22-31 Сфеновый концентрат 10-20 Марганец металлический 1,3-3,0 Ферротитан 1,2-2,8 Ферробор 0,1-0,8 Титаномагнетит 0,4-0,9 Ферросилиций 0,3-1,0 Силикат натрия-калия 7,7-8,9

(см., например, описание изобретения к патенту РФ №2228828, кл. В23К 35/362, опубл.20.05.2004).

Однако такой керамический флюс имеет ограниченную сферу применения, определяемую его функциональным назначением, и не предназначен для автоматической сварки и, наплавки высоколегированных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа керамический флюс для автоматической сварки и наплавки, содержащий, мас.%: оксид алюминия 15-25, введенный в виде глинозема и/или корунда, оксиды магния 25-38, кремния 25-38, фторид кальция 7-17, дополнительно содержащий, мас.%: алюминиевый порошок 0,1-2,0 и оксид титана 0,1-9,0 (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2240907, кл. В23К 35/362, опубл. 21.11.2004).

Недостатками данного флюса являются низкие технологические свойства (затрудненная отделимость шлаковой корки с поверхности наплавленного металла, остатки шлаковой корки на поверхности валика в виде «березовой коры», способствующей возникновению шлаковых включений и, как следствие, к повышению вероятности возникновения микротрещин.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения возможности автоматической сварки и наплавки высоколегированных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, в повышении сварочно-технологических свойств флюса за счет саморегулирования содержания ферритной фазы и поддержания ее концентрации в металле сварного шва на уровне ее содержания в сварочной проволоке, а также в увеличении качества и срока службы сварного и наплавленного шва в широком диапазоне температур.

Указанный технический результат достигается тем, что керамический флюс для автоматической сварки и наплавки, содержащий оксиды магния, алюминия, натрия, кремния, кальция и фторид кальция, дополнительно содержит алюминиевый порошок, силикат натрия, оксид циркония, оксид хрома, феррохром или металлический хром, ферромарганец или металлический марганец, ферромолибден или металлический молибден, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: SiO₂ 14-23, Al₂O₃ 14-27, MgO 14-27, CaF₂ 14-25, CaO 0,1-6,0, ZrO₂ 0,1-9,0, Cr₂O₃ 0,1-5, Na₂O 0,1-4, K₂O 0,1-3, Cr(FeCr) 0,1-4, Mn(FeMn) 0,1-4, Mo(FeMo) 0,1-4, Al 0,1-2,5 силикат натрия - остальное, при этом отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида циркония составляет 0,62-0,99, а отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида магния и оксида натрия составляет 0,7-0,99.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.

Предложенное вещество отвечает такому условию патентоспособности как "промышленная применимость", поскольку может быть получено существующими техническими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

Предложенная совокупность компонентов позволяет повысить технологические свойства флюса (самопроизвольная отделимость шлаковой корки, гладкая поверхность металла сварного шва) и снизить склонность наплавленного металла к образованию горячих трещин, а также повысить механические характеристики металла сварного шва и наплавленного металла.

Изменение соотношения между основными компонентами способствует образованию в наплавленном слое металла двухфазной аустенитно-ферритной структуры с содержанием ферритной фазы не менее 2% и благоприятных по форме и расположению неметаллических включений, за счет чего повышается стойкость наплавленного металла против образования горячих кристаллизационных трещин.

Оригинальность предлагаемого флюса заключается в том, что входящие в состав флюса оксиды магния, натрия и калия способствуют легкой отделимости шлаковой корки с поверхности металла сварного шва и наплавленного металла и устранению эффекта "побитости", вызываемого повышенной склонностью флюса к гидратации.

Опытно-экспериментальным путем установлено, что для получения хорошего формирования валика при сварке сталей аустенитного класса, особенно при сварке в узкие разделки, в составе флюса содержание комплексообразующих окислов (кремнезема, глинозема и/или электрокорунда,- оксида циркония) составляет 29-40 мас.%, так как при большем или меньшем содержании происходит ухудшение формирующих свойств флюса.

Повышение содержания кремнезема, хотя и улучшает сварочно-технологические характеристики флюса, ведет к повышению содержания кремния в наплавленном слое и засорению металла нежелательными силикатными включениями. Устранение такого противоречия решается с помощью подбора оптимального соотношения между SiO₂, ZrO₂, и Al₂O₃, что позволяет снизить термодинамическую активность флюса.

Поэтому содержание кремнезема ограничено пределами 14-23% при одновременном введении в состав флюса ZrO₂, и Al₂O₃. Содержание кремнезема в составе флюса в указанных пределах способствует приданию флюса поверхностных свойств, позволяющих получать гладкую поверхность наплавки. Снижение концентрации кремнезема менее 14% приводит к ухудшению формирующих свойств флюса. Кроме того, возрастает склонность флюса к гидратации, в результате чего на поверхности валика появляется "побитость". Увеличение количества кремнезема более 23% приводит к интенсификации кремневосстановительного процесса и повышению концентрации кислорода в виде неметаллических включений эндогенного и экзогенного характера.

Введение в состав флюса в качестве комплексообразующего окисла двуокиси циркония способствуют улучшению внешних характеристик металла сварного шва и оказывает модифицирующий эффект на структуру наплавленного металла. Однако при введении двуокиси циркония менее 0,1 мас.% эффект модифицирования не заметен, а при введении двуокиси циркония более 9 мас.% ухудшается отделимость шлаковой корки, что является следствием снижения межфазного натяжения расплавленного шлака на поверхности металла и увеличением интенсивности взаимодействия двуокиси циркония с легирующими компонентами наплавленного металла.

Введение оксида алюминия в виде глинозема и/или электрокорунда в состав флюса наряду с оксидами кремния и циркония в качестве комплексообразующего компонента также способствует благоприятному формированию наплавленного валика. Совместное введение указанных компонентов в состав флюса в определенном соотношении способствует снижению склонности флюса к гидратации, однако содержание его во флюсе свыше 27 мас.% приводит к ухудшению отделимости шлаковой корки и появлению на поверхности наплавленного валика остатков шлака в виде "березовой коры", а в металле сварного шва тугоплавких неметаллических включений, снижающих механические характеристики металла шва. При концентрации оксида алюминия ниже 14 мас.% ухудшается формирование наплавленного валика.

Введение оксида магния в состав флюса в указанных пределах способствует созданию так называемого "короткого" шлака, что весьма важно при наплавке поверхностей вращения и предотвращает его стекание в процессе наплавки, что особенно важно при наплавке деталей, требующих предварительного подогрева и существенного повышения температуры детали по ходу наплавки.

Введение в состав предложенного флюса оксидов калия и магния повышает стабилизацию горения дуги, их содержание ниже заявленных параметров вызывает мерцание и нестабильность горения дуги, при этом соответствующее их превышение также повышает склонность флюса к гидратации и представляется экономически неоправданным.

Уменьшение концентрации оксида магния менее 14 мас.% уменьшает вязкость флюса при высоких температурах, что ухудшает формирование наплавленного металла при наплавке тел вращения. При количестве оксида магния более 27 мас.% вязкость флюса существенно повышается, что приводит к ухудшению формы шва, повышению высоты, наплавленного валика, что в свою очередь может привести к шлаковым включениям по границе сплавления соседних валиков.

Фторид кальция придает жидкому флюсу определенную жидкотекучесть, способствует очищению наплавленного металла от зашлаковок и вредных примесей, что в свою очередь повышает стойкость наплавленного слоя металла против образования пор и трещин при сварке и наплавке без ухудшения технологических и металлургических характеристик флюса. Кроме того, введение фторида кальция совместно с кремнеземом в определенном соотношении способствует уменьшению содержания водорода в наплавленном металле. При введение фторида кальция более 25 мас.% происходит нарушение стабильности дугового процесса и формирования валика, т.к. шлак становится слишком жидкотекучим и не способен удерживать и формировать металл сварного шва, особенно при сварке деталей малого диаметра. Количество фторида кальция менее 14 мас.% исключает эффект снижения концентрации водорода в наплавленном металле и отрицательно сказывается на технологических свойствах наплавленного металла.

Алюминий в указанных пределах вводится во флюс для обеспечения раскисления наплавленного металла. При концентрации алюминия во флюсе менее 0,1 мас.% он не выполняет своей функции и не раскисляет наплавленный металл. При содержании алюминия более 2,5 мас.% интенсифицируется процесс восстановления элементов из их окислов в составе флюса, что может отрицательно влиять на механические свойства наплавленного металла.

Введение оксида хрома совместно с металлическим хромом или феррохромом, совместно с молибденом или ферромолибденом, а также марганцем или феромарганцем в состав флюса в указанных пределах выполняет следующие функции: способствует поддержанию и стабилизации ферритной фазы на уровне ее концентрации в сварочной проволоке, что существенно снижает склонность сварного шва к образованию горячих трещин и способствует саморегулированию ферритной фазы независимо от колебаний режимов сварки. Кроме этого, указанные компоненты способствуют также торможению кремневосстановительного процесса. При содержании указанных компонентов выше верхнего предела происходит существенное повышение концентрации ферритной фазы, что может вызвать сигматизацию металла сварного шва и снижение механических характеристик. Количество указанных компонентов менее нижнего предела исключает эффект поддержания ферритной фазы в металле сварного шва на необходимом уровне.

Кроме того, отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида циркония составляет 0,62-0,99. При указанных соотношениях ниже нижнего предела имеет место нестабильность электрической дуги и возможность образования пористой структуры металла сварного шва. При содержании выше верхнего указанного соотношения происходит резкая интенсификация окислительных процессов и, как следствие этого, повышение содержания кислорода за счет увеличения количества неметаллических включений эндогенного и экзогенного характера.

Кроме этого, отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида магния и оксида натрия составляет 0,7-0,99. При указанных соотношениях ниже нижнего предела происходит ухудшение отделимости шлаковой коры с поверхности наплавленного слоя металла и образуются остатки шлака на поверхности наплавленного валика в виде "березовой коры" и, соответственно, выше верхнего указанного соотношения происходит повышение склонности флюса к гидратации и, как следствие этого, возможность появления пор в металле сварного шва и «побитости» поверхности наплавленного металла.

В качестве одного из предпочтительных примеров конкретного состава флюса для сварки сталей аустенитного класса, обеспечивающего необходимый комплекс металлургических и механических характеристик, может быть рекомендован следующий состав, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: SiO₂ 15, Al₂O₃ 15, MgO 17, CaF₂ 18, CaO 6, ZrO₂ 1, Cr₂O₃ 4, Na₂O 3, K₂O 3, Cr(FeCr) 4, Mn(FeMn) 4, Mo(FeMo) 4, Al 0,2 силикат натрия - остальное, при этом отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида циркония составляет 0,93, а отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида магния и оксида натрия составляет 0,83, что соответствует заявленному соотношению композиции.

Предложенная схема легирования керамического флюса позволяет осуществлять саморегулирование содержания ферритной фазы и поддерживать ее концентрацию в металле сварного шва на уровне ее содержания в сварочной проволоке.

Использование изобретения позволяет осуществлять бездефектную сварку коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, в том числе и в узкие разделки в нижнем и горизонтальном положениях сварного шва, а также деталей вращения малого диаметра и выполнять наплавочные работы различных деталей ответственного назначения в атомноэнергетическом, тяжелом, нефтехимическом машиностроении с обеспечением высоких сварочно-технологических и металлургических характеристик. Предложенный флюс обеспечивает в широком диапазоне температур требуемое качество сварного шва и наплавленного металла.

Изобретение может быть использовано при автоматической сварке или наплавке под флюсом изделий из высоколегированных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса. Керамический флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мас.ч.: оксид алюминия, введенный в виде глинозема и/или электрокорунда, 14-27, оксид магния 14-27, оксид натрия 0,1-4.0, оксид калия 0,1-3,0, оксид кремния 14-23, оксид кальция 0,1-6,0, фторид кальция 14-25, алюминиевый порошок 0,1-2,5, оксид циркония 0,1-9,0, оксид хрома 0,1-5,0, феррохром или металлический хром 0,1-4,0, ферромарганец или металлический марганец 0,1-4,0, ферромолибден или металлический молибден 0,1-4,0, силикат натрия - остальное. Отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида циркония составляет 0,62-0,99, а отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида магния и оксида натрия составляет 0,7-0,99.

Керамический флюс для автоматической сварки и наплавки, содержащий оксид алюминия, введенный в виде глинозема и/или электрокорунда, оксиды магния, натрия, кремния, кальция и фторид кальция, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминиевый порошок, силикат натрия, оксид калия, оксид циркония, оксид хрома, феррохром или металлический хром, ферромарганец или металлический марганец, ферромолибден или металлический молибден при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Al₂O₃ 14-27 SiO₂ 14-23 MgO 14-27 CaF₂ 14-25 ZrO₂ 0,1-9,0 CaO 0,1-6,0 Cr₂O₃ 0,1-5,0 Na₂O 0,1-4,0 K₂O 0,1-3,0 Cr(FeCr) 0,1-4,0 Mn(FeMn) 0,1-4,0 Mo(FeMo) 0,1-4,0 Al 0,1-2,5

силикат натрия остальное, при этом отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида циркония составляет 0,62-0,99, а отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида магния и оксида натрия составляет 0,7- 0,99.