МИНЕРАЛЬНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ Российский патент 2013 года по МПК B23K35/36 

Изобретение относится к области сварки, в частности к плавленым сварочным материалам, а именно, к минеральным сплавам для основных покрытий сварочных электродов, используемых при электродуговой сварке конструкций из углеродистых и низколегированных сталей в нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Из плавленых сварочных материалов наиболее известны плавленые флюсы, обладающие в результате переплава исходного минерального сырья рядом преимуществ, например однородным химическим составом и равномерным содержанием компонентов по всему объему, отсутствием поверхностной, связанной и кристаллизационной воды, позволяющих получать качественные беспористые сварные соединения.

В настоящее время плавленые сварочные материалы, а именно - минеральные сплавы, находят применение и при изготовлении покрытий сварочных электродов для электродуговой сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей.

Известен минеральный сплав, входящий в состав электродного покрытия (патент RU 2257987, МПК B23K 35/365, опубл. 10.08.2005.), используемого при изготовлении сварочных электродов основного типа для дуговой сварки различных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей.

Электродное покрытие, включающее минеральный сплав, позволяет полностью предотвратить пористость сварных соединений, обеспечивает легкое зажигание дуги и хорошее формирование наплавленного металла во всех пространственных положениях. Указанное электродное покрытие имеет следующий состав, мас.%:

Мрамор 16,0-30,0 Плавиковый шпат 0,5-10,0 Кварцевый песок 0,5-13,0 Магнезит 15,0-22,0 Ферросилиций 5,0-10,0 Рутил или диоксид титана 3,0-10,0 Ферромарганец 6,0-13,0 Минеральный сплав 8,0-20,0 Железорудные окатыши 2,0-5,0 Пластификаторы до 2,5.

Причем минеральный сплав содержит не менее 45,0 мас.% оксида алюминия, который в результате переплава преимущественно связан в алюминаты и алюмосиликаты и максимально защищен от контактного взаимодействия с жидким стеклом, что надежно обеспечивает предотвращение пористости в наплавленном металле. К сожалению, более подробные сведения о составе указанного минерального сплава авторы патента RU 2257987 не приводят.

Недостатки изобретения по патенту RU 2257987 состоят в применении дорогостоящего и дефицитного диоксида титана, а также марганца, создающего токсичность при сварке.

В качестве наиболее близкого аналога выбран «Минеральный сплав для покрытий сварочных электродов и керамических флюсов» (патент RU 2249498, МПК B23K 35/36, опубл. 10.04.2005.). Минеральный сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Оксид алюминия Al₂O₃ 45,0-51,0 Оксид кремния SiO₂ 13,0-17,0 Диоксид титана TiO₂ 3,0-7,0 Оксид кальция СаО 10,0-16,0 Фторид кальция CaF₂ 16,0-22,0.

Минеральный сплав указанного состава позволяет предотвратить пористость в наплавленном металле за счет снижения химической активности поверхности зерен оксида алюминия.

Недостаток минерального сплава по патенту RU 2249498 состоит в наличии в его составе дорогостоящего и дефицитного диоксида титана и фторида кальция, образующего токсичные соединения при разложении, и также дорогостоящего.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка составов нетоксичного минерального сплава для покрытий сварочных электродов основного типа, позволяющего полностью исключить пористость сварного шва, обеспечивающего легкое отделение шлаковой корки с поверхности наплавляемого металла и обладающего более низкой стоимостью.

Поставленную задачу решают тем, что известный минеральный сплав для покрытий сварочных электродов основного типа, содержащий оксид кремния, оксид алюминия и оксид кальция, содержит дополнительно оксид железа (III), оксид магния и оксид натрия и/или оксид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид кремния SiO₂ 38-39 Оксид алюминия Al₂O₃ 22-24 Оксид железа Fe₂O₃ 12-14 Оксид кальция СаО 10-12 Оксид магния MgO 9-10 Оксид калия и/или натрия (K₂O и/или Na₂O) 3-5.

Расчет критерия основности (В) предлагаемого минерального сплава для покрытий сварных электродов позволяет отнести его к типу основных: В=1,43-1,57.

Снижения стоимости предлагаемого минерального сплава для покрытий сварочных электродов по сравнению с прототипом достигают исключением дорогостоящих компонентов - диоксида титана и фторида кальция. Отказ от использования дефицитного диоксида титана также решает задачу доступности сырья.

Отсутствие в составе фторида кальция также снимает вопрос о токсичности предлагаемого минерального сплава для покрытий сварочных электродов.

Вследствие исключения фторида кальция и оптимизации содержания оксида кальция отпадает необходимость в увеличении содержания оксида алюминия с целью предотвращения пористости в наплавляемом металле. Оксид кальция, вводимый в количестве 10-12 мас.%, обеспечивает хорошую шлакообразующую функцию минерального сплава. Несоответствие содержания оксида кальция в минеральном сплаве для покрытий сварочных электродов указанному интервалу 10-12 мас.% приводит к плохой отделяемости шлаковой корки.

Введение оксида кремния в количестве менее 38 мас.% не обеспечивает устойчивость электрошлакового процесса и приводит к пористости шлаковой корки. Увеличение его содержания более 39 мас.% уменьшает роль в шлаке других компонентов и не позволяет выполнить техническое решение.

Оксид алюминия в составе минерального сплава для покрытий сварочных электродов обеспечивает благоприятное формирование сварного шва. Однако, его низкое содержание - менее 22 мас.%, не позволяет эффективно использовать его и возможно появление пористости. Содержание оксида алюминия более 24 мас.% хотя и допустимо, но делает предлагаемый минеральный сплав для сварочных электродов более тугоплавким, что отрицательно влияет на теплофизические свойства шлака.

Оксид магния вводят в состав минерального сплава для сварочных электродов из-за высокого содержания оксида кремния, обладающего гораздо более низкой температурой плавления. Содержание оксида магния в пределах 9-10 мас.% в совокупности с предложенной рецептурой минерального сплава для сварочных электродов обеспечивает оптимальную температуру плавления шлака в интервале 1350-1400°C в процессе сварки, что соответствует температурам плавления сварочных плавленых флюсов. Введение оксида магния в количестве менее 9 мас.% не позволяет достигать нижней температуры указанного интервала, а более 10 мас.% оксида магния приводит к превышению верхней границы данного температурного интервала.

Введение в расплав оксида натрия и/или калия (Na₂O и/или K₂O) в количестве 3-5% заметно повышает электропроводность шлака и не оказывает влияния на пористость сварного шва. Эффект от введения оксида натрия и/или калия в состав минерального сплава для сварочных электродов наблюдают при низких температурах в начале процесса наплавки, однако при высокой температуре (>1350°C) происходит их испарение, и соответственно, исчезает их воздействие на электропроводность шлака.

В лабораторных условиях проведены испытания различных составов разрабатываемого минерального сплава для покрытий сварочных электродов путем наплавки валиков на углеродистую сталь Ст3 с помощью автомата КА-1UP с использованием сварочной проволоки Св-08А ГОСТ 2246-70 диаметром 4 мм под слоем заявляемого минерального сплава, подготовленного к использованию по назначению. Режим наплавки: сварочный ток I=550 А, напряжение дуги U=30 В, скорость сварки У_св.=55 см/мин.

Оценка результатов испытаний произведена по внешнему виду наплавленного валика и шлаковой корки с определением дефектов - наружной пористости металла и шлаковой корки, а также по легкости отделения шлаковой корки с поверхности наплавленного валика. Испытанные составы минерального сплава для покрытий сварочных электродов и оценка результатов их испытаний приведены в таблице.

Составы минерального сплава для покрытий сварочных электродов и оценка результатов испытаний Условная маркировка Содержание, мас.% Оценка результатов испытаний SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO K₂Ou/или Na₂O 1 49,68 24,68 9,59 2,91 2,66 10,48 неудовл. 2 39,03 22,88 14,26 11,08 9,43 3,32 отл. 3 31,33 23,27 18,91 9,90 9,25 7,34 удовл. 4 37,87 24,35 14,10 10,06 9,66 3,96 отл. 5 38,43 22,09 12,14 11,89 10,44 5,01 отл. 6 40,39 20,45 17,20 8,48 8,39 5,09 удовл. 7 44,16 17,11 16,10 8,21 12,20 2,22 неудовл.

Из таблицы видно, что лабораторные образцы 2, 4 и 5 показывают отличные сварочно-технологические свойства: мелкочешуйчатое благоприятное формирование наплавляемого валика, плотную и ровную шлаковую корку, которая при охлаждении самостоятельно отделяется от поверхности наплавленного валика.

Сварочно-технологические свойства лабораторных образцов 3 и 6 хуже - плохая отделяемость шлаковой корки, которая при удалении частично ломается, крошится и остается в местах сопряжения валиков с основным металлом.

Лабораторные образцы 1 и 7 имеют неудовлетворительные результаты испытаний сварочно-технологических свойств, выражающиеся в неравномерном формировании наплавляемого валика и шлаковой корки с пористой поверхностью со стороны шва.

Лабораторные образцы 2, 4 и 5 дополнительно исследованы с помощью рентгеновского метода контроля: пористость в наплавленных валиках указанных образцов не обнаружена, несмотря на то, что для лабораторных образцов 2 и 5 определена пористость шлаковых корок.

Как видно из приведенных выше результатов испытаний образцов, предлагаемый минеральный сплав для покрытий сварочных электродов позволяет полностью исключить пористость в наплавляемых валиках даже в тех случаях, когда существуют признаки ее возможного появления - поры в шлаковой корке.

Взяв за базу рецептурный состав, описанный в патенте RU 2257987, опытным путем были получены электроды с упрощенной номенклатурой, состоящей из следующих компонентов:

Известняк 33,6 Минеральный сплав 16,4 Рутил 14,1 Плавиковый шпат 11,6 Полевой шпат 8,7 Ферромарганец 9,5 Каолин 6,1

Где минеральный сплав использовался условного обозначения №1, 2 и №3 как образцы с неудовлетворительной, отличной и удовлетворительной оценкой при наплавке валика под слоем минерального сплава. После проведения ручной дуговой сварки покрытыми электродами на токе 120А результаты по сварочно-технологическим свойствам были идентичны результатам после наплавки валика под слоем минерального сплава.

Таким образом, предлагаемая совокупность компонентов и интервалы их содержания обеспечивают получение нетоксичного и менее дорогостоящего минерального сплава для покрытий сварочных электродов основного типа, позволяющего полностью исключить пористость сварного шва при легко отделяемой шлаковой корке.

Изобретение может быть использовано при получении плавленных сварочных материалов, в частности для основных покрытий сварочных электродов, используемых при электродуговой сварке конструкций из углеродистых и низколегированных сталей в нефтегазовой и других отраслях промышленности. Минеральный сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: оксид кремния 38-39, оксид алюминия 22-24, оксид железа (III) 12-14, оксид кальция 10-12, оксид магния 9-10 и оксид натрия и/или оксид калия 3-5. Электроды с приведенным составом минерального сплава позволяют полностью исключить пористость сварного шва при легко отделяемой шлаковой корке, нетоксичны и имеют низкую стоимость. 1 табл.

Минеральный сплав для покрытий сварочных электродов основного типа, содержащий оксид кремния, оксид алюминия и оксид кальция, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид железа(III), оксид магния и оксид натрия и/или оксид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид кремния SiO₂ 38-39 Оксид алюминия Al₂O₃ 22-24 Оксид железа Fe₂O₃ 12-14 Оксид кальция СаО 10-12 Оксид магния MgO 9-10 Оксид калия и/или натрия (K₂O и/или Na₂O) 3-5