ФЛЮС ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАПЛАВКИ ЛЕНТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ Российский патент 2014 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для нанесения высоколегированных плакирующих слоев путем автоматической наплавки ленточным электродом под слоем флюса в электрошлаковом режиме рабочих поверхностей современных корпусов атомных реакторов и других сосудов высокого давления в энергетическом машиностроении, нефтехимии и т.д.

В настоящее время для механизированной дуговой сварки, а также наплавки высоколегированных сталей в атомном энергомашиностроении рекомендован флюс марки ФЦ-17 (см., например, ГОСТ Р52222-2004 «Флюсы сварочные плавленые для автоматической сварки»).

Флюс ФЦ-17 содержит в своем составе SiO₂, CaO, Al₂O₃, CaF₂, Cr₂O₃, MgO, Na₂O+K₂O, а также примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO₂ 24-28 CaO не более 15-21 Al₂O₃ 18-22 CaF₂ 11-18 Cr₂O₃ 0,5-2,0 MgO 23-27 Na₂O+K₂O 5,0-10,0 примеси   Fe₂O₃ не более 1,0 S не более 0,03 P не более 0,025

Указанный флюс обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами при сварке-наплавке проволочным электродом (отличное формирование наплавленного валика, самопроизвольная отделимость шлаковой корки), однако его применение при ленточной наплавке весьма затруднительно, особенно при наплавке в электрошлаковом режиме, т.к. физические свойства флюса, в частности низкая электропроводность в расплавленном состоянии, не позволяет получить устойчивый электрошлаковый процесс, что приводит к ведению процесса в неустойчивом переходном режиме от дугового к электрошлаковому, а это, в свою очередь, повышает вероятность появления дефектов в виде шлаковых включений по границе сплавления валиков.

Известен также самозащитный гранулированный флюс для электродуговой сварки, содержащий, мас.%: оксид магния 25-37, оксид алюминия 10-20, фторид кальция 20-32, а также легирующие, и/или шлакообразующие, и/или раскисляющие, и/или связующие компоненты (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2086379, кл. B23К 35/362, опубл. 1992).

Однако при наплавке с использованием указанного флюса в сочетании с лентами, содержащими в своем составе ниобий, или титан, или повышенное содержание остаточного титана, вводимого при выплавке стали в качестве раскислителя, отделимость шлаковой корки становится весьма затруднительной даже при использовании механического инструмента, а на поверхности наплавленного валика остается шлаковая корка в виде «березовой коры», возникновение которой связано с образованием соединений типа шпинелей. Это существенно повышает трудоемкость выполнения антикоррозионной наплавки, а также повышает вероятность образования дефектов в виде неметаллических и шлаковых включений, особенно по границам сплавления соседних валиков.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа флюс для автоматической наплавки ленточным электродом, содержащий фторид кальция, оксиды алюминия, кальция и кремния (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2115529, кл. B23К 35/362, опубл. 20.07.1998).

Однако для наплавки ленточным электродом в электрошлаковом режиме он оказался непригодным из-за невозможности получения устойчивого электрошлакового процесса, что приводит к нарушению режима наплавки, неудовлетворительному формированию наплавляемого металла и появлению в нем дефектов типа несплавлений и западаний, подлежащих механическому удалению и повторной наплавке удаленной части плакирующего слоя. Кроме этого повышенная склонность к гидратации флюса, обусловленная возможностью образования в нем легко гидратируемых минералов 3CaO·SiO₂, CaO, 5CaO·3Al₂O₃, CaO·Al₂O₃, также способствует появлению упомянутых дефектов.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении производительности и технологичности наплавки плакирующего слоя на конструкции атомного энергомашиностроения ленточным электродом, а также в расширении диапазона сварочно-технологических свойств флюса, обеспечивающего получение бездефектного наплавленного металла и повышение качества и срока службы наплавленного покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что флюс для автоматической наплавки ленточным электродом, содержащий фторид кальция, оксиды алюминия, кальция и кремния, дополнительно содержит алюминий, оксиды железа, хрома, а также натрий и калий при следующем соотношении компонентов, %:

Фторид кальция 40-70 Оксид алюминия 15-30 Оксид кремния 1-15 Оксид кальция 0,5-12 Алюминий 0,1-3 Оксид железа 0,05-3 Оксид хрома 0,05-3 Натрий 0,01-3 Калий 0,01-3

при этом отношение содержания фтористого кальция к оксиду алюминия составляет 2,5-4,0, а отношение оксида алюминия к оксиду кремния составляет 1,3-3,7.

Пределы содержания кремнезема установлены таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить наиболее высокую стойкость флюса против гидратации и устойчивость электрошлакового процесса (нижний предел) и, с другой стороны, обеспечить требования по содержанию кремния в наплавленном металле (верхний предел).

Соотношение CaF₂/Al₂O₃ ограничено для обеспечения устойчивости электрошлакового процесса и качества формирования наплавленного металла без подрезов, западаний, наплывов. Увеличение этого соотношения выше заявленного приводит к повышению стабильности электрошлакового процесса и одновременному снижению мощности выделяемой в электрошлаковой ванне, недостаточной для плавления ленты. Снижение соотношения ниже заявленного, наоборот, приводит к снижению стабильности электрошлакового процесса, срыву в дуговой процесс, нарушению стабильности процесса наплавки и, как следствие, к ухудшению формирования наплавляемого металла.

Ограничение соотношения Al₂O₃/SiO₂:

- способствует оптимизации физических характеристик расплавленного флюса. С повышением указанного соотношения флюс становится более жидкотекучим, шлаковая корка тонкой, что ухудшает отделимость шлаковой корки и защиту сварочной ванны. Снижение указанного соотношения приводит к более вязкому состоянию флюса, т.к. оксид кремния, как более сильный комплексообразующий окисел, способствуют образованию комплексных соединений, повышающих вязкость флюса. Кроме того, повышается активность флюса, что приводит к повышенному окислению хрома, ниобия и марганца;

- уменьшение соотношения Al₂O₃/SiO₂ ниже заявленного приводит к повышенному окислительному процессу таких элементов, как ниобий, хром, остаточный титан, окислы которых способны образовывать на границе с наплавленным металлом сложные соединения типа шпинелей существенно ухудшающих отделимость шлаковой корки, что повышает трудоемкость выполнения наплавленного покрытия и может приводить к возникновению дефектов в виде шлаковых включений;

- повышение соотношения Al₂O₃/SiO₂ выше заявленного способствует стабилизации теплового баланса в системе жидкий шлак - электродная лента и достижению необходимой мощности для плавления электродной ленты за счет тепла шлаковой ванны, что, в свою очередь, стабилизирует электрошлаковый процесс, приводит к снижению доли участия основного металла в наплавленном и позволяет осуществлять однослойную однопроходную наплавку вместо двухслойной, что дает существенную экономию материалов, повышает производительность и снижает трудоемкость наплавки.

Оксиды калия и натрия могут быть введены в состав флюса через один или несколько из следующих компонентов: полевой шпат, слюда мусковит, натрий фтористый, калий фтористый, криолит, силикат натрия, силикат натриево-калиевый и калиево-натриевый. Введение указанных компонентов снижает окислительную способность флюса за счет блокирования межфазной границы при его расплавлении в сварочной ванне ионами, имеющими меньший обобщенный момент, что снижает окислительную способность флюса оксидами кремния и алюминия. В результате флюс, содержащий оксиды калия и натрия, становится менее активным. Введение в состав флюса оксидов менее 0,1% не дает эффекта. Повышение указанных оксидов более 3% в значительной степени снижает вязкость флюса, что отрицательно сказывается на формирующей способности и повышает склонность флюса к гидратации.

Введение в состав флюса оксида кальция позволяет понизить содержание серы в наплавленном металле, введении оксида кальция более 12% не дает дальнейшего положительного эффекта, а также способствует повышению склонности флюса к гидратации.

Совместное введение оксидов железа и хрома в указанных пределах способствует торможению кремневосстановительного процесса, что благоприятно сказывается на стойкости металла к образованию горячих трещин и, кроме того, снижает выгорание хрома, что положительно сказывается на стабилизации ферритной фазы в наплавленном металле.

Присутствие алюминия в составе флюса, более сильного раскислителя по сравнению с кремнием и марганцем, способствует началу процесса раскисления непосредственно в шлаковой фазе, что благоприятно сказывается на металлургических свойствах флюса, способствуя снижению концентрации кислорода в наплавленном металле. Введение алюминия менее 0,1% неэффективно. При повышении алюминия в составе флюса более 3% происходит рост содержания кремния в наплавленном металле за счет интенсивного его восстановления из оксидов. Алюминий в состав флюса может вводиться в виде алюминиевого порошка.

Введение в состав керамического флюса одновременно нескольких компонентов SiO₂, CaO, или SiO₂, CaO Al₂O₃ или SiO₂, CaO, Al₂O₃, CaF₂ возможно за счет использования специальных минералов или за счет применения специально изготовленных синтетических компонентов, что позволяет обеспечить более низкое содержание таких вредных примесей, как сера и фосфор и существенно повысить качество наплавляемого металла и его стойкость против образования горячих трещин.

Эти отличия заявляемого флюса, реализованные в установленном марочном составе, позволяют получить и гарантировать высокие сварочно-технологические и металлургические характеристики при выполнении плакирующей наплавки на корпусное оборудование различного назначения.

Для лабораторных испытаний были изготовлены опытные составы заявляемого флюса. Производилась автоматическая наплавка лентой марок Св-02Х21Н11Г2Б сечением 0,5×60 мм на сталь марки 10ГН2МФА при следующих значениях режима Iн=1240-1260 A, Uн=26-28 В, Vн=11 м/ч под флюсом с различным содержанием основных компонентов: SiO₂, Al₂O₃, CaO, CaF₂. При испытаниях оценивались следующие параметры: формирование наплавленного валика, отделимость шлаковой корки, наличие остатков шлака на поверхности наплавленного металла в виде «березовой коры», пористость шлаковой корки.

В качестве примера реализации заявленного флюса в результате проведенных исследований был получен базовый состав флюса, показавший наиболее оптимальные сварочно-технологические и металлургические характеристики, содержащий следующие составляющие в единичном значении, которое находится в пределах указанного в формуле изобретения интервала значений, в %:

Фторид кальция 55 40-70 Оксид алюминия 20 15-30 Оксид кремния 12 1-15 Оксид кальция 8 0,5-12 Алюминий 1 0,1-3 Оксид железа 0,5 0,05-3 Оксид хрома 0,5 0,05-3 Натрий 2 0,01-3 Калий 1 0,01-3

при этом отношение содержания фтористого кальция к оксиду алюминия составляет 2,75, а отношение оксида алюминия к оксиду кремния составляет 1,66, что также соответствует пределам заявленных соотношений.

При изготовлении указанного базового состава флюса для автоматической наплавки ленточным электродом использовались следующие порошкообразные компоненты: фтористый кальций вводился через плавиковый шпат, оксид алюминия через глинозем, оксид кремния через песок кварцевый для сварочных работ, оксид кальция через волластонит, алюминий через алюминиевый порошок, оксид железа через сурик (железный), оксид хрома через окись хрома техническую (Cr₂O₃), оксид натрия через силикат натрия, а оксид калия через силикат натриево-калиевый.

Флюсы, изготовленные с отклонениями от представленного состава, хотя и показали удовлетворительные результаты, все же имели ряд недостатков.

Результаты проведенных испытаний подтверждают ухудшение формирования наплавляемого металла при снижении содержания отношения Al₂O₃/SiO₂ в составе флюса и понижении в нем CaF₂, как следствие, нарушение электрошлакового процесса и ведение наплавки в неустойчивом переходном процессе. При этом также ухудшалось отделение шлаковой корки, и на поверхности наплавленного металла появлялась «березовая кора». Отмечалось также нарушение стабильности процесса при повышении соотношения CaF₂/Al₂O₃ более 4, что связано с высокой электропроводностью шлаковой ванны и выделением недостаточного количества тепла для плавления электродной ленты.

С увеличением содержания Al₂O₃ выше установленного предела также наблюдалось затрудненная отделимость шлаковой корки и появление «березовой коры» на поверхности валика.

По результатам лабораторных испытаний нового флюса было принято решение о проведении сравнительных испытаний флюсов марок ОФ-40, ОФ-10, ФЦ-18 и заявляемого состава флюса при однослойной ленточной наплавке лентой марки Св-02Х21Н11Г2Б в промышленных условиях, применяемых в условиях автоматической наплавки конструкций атомного энергомашиностроения. Указанные испытания проводились с использованием флюса для автоматической наплавки ленточным электродом следующего состава, %:

Фторид кальция 58 Оксид алюминия 19 Оксид кремния 11 Оксид кальция 7 Алюминий 1 Оксид железа 0,5 Оксид хрома 0,5 Натрий 2 Калий 1

при этом отношение содержания фтористого кальция к оксиду алюминия составляет 3,00, а отношение оксида алюминия к оксиду кремния составляет 1,73, что также соответствует пределам заявленных соотношений.

Для изготовления указанного флюса использовались следующие компоненты: плавиковый шпат, глинозем, песок, волластонит, алюминиевый порошок, сурик (железный), оксид хрома (Cr₂O₃), силикат натрия, силикат натриево-калиевый.

Результаты сравнительных испытаний, выполненных на ОАО «Петрозаводскмаш», подтвердили высокие технологические свойства нового флюса, при этом химический состав и механические свойства наплавленного металла полностью соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

Технико-экономический эффект при использовании предлагаемого флюса выразится в повышении производительности наплавочных работ более чем в 2 раза, сокращении наплавочных материалов в 2 раза за счет перехода на однослойную наплавку в электрошлаковом режиме, что становится возможным при снижении доли участия основного металла в наплавленном до 10%, а также за счет повышения качества наплавленного металла и эксплуатационной надежности конструкций при уменьшении образования дефектов и неметаллических включений в наплавленном металле, улучшении формирования наплавленного валика и снижении трудоемкости процесса наплавки вследствие сокращения дополнительных затрат времени на зачистку валиков от остатков шлака и ремонтных работ по исправлению дефектов.

Предложенный состав флюса позволяет осуществлять электрошлаковый процесс автоматической наплавки ленточным электродом при определенных значениях режима и получать высококачественный бездефектный металл.

Изобретение может быть использовано для нанесения высоколегированных плакирующих слоев путем автоматической наплавки ленточным электродом под слоем флюса в электрошлаковом режиме рабочих поверхностей современных корпусов атомных реакторов и других сосудов высокого давления. Флюс содержит компоненты в следующем соотношении, %: фторид кальция 40-70, оксид алюминия 15-30, оксид кремния 1-15, оксид кальция 0,5-12, алюминий 0,1-3, оксид железа 0,05-3, оксид хрома 0,05-3, натрий 0,01-3, калий 0,01-3. Отношение содержания фторида кальция к оксиду алюминия составляет 2,5-4,0, а отношение содержания оксида алюминия к оксиду кремния составляет 1,3-3,7.Флюс обеспечивает получение высококачественного бездефектного металла при однослойной наплавке в электрошлаковом режиме.

Флюс для автоматической наплавки ленточным электродом, содержащий фторид кальция, оксиды алюминия, кальция и кремния, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий, оксиды железа и хрома, а также натрий и калий при следующем соотношении компонентов, %:
фторид кальция 40-70 оксид алюминия 15-30 оксид кремния 1-15 оксид кальция 0,5-12 алюминий 0,1-3 оксид железа 0,05-3 оксид хрома 0,05-3 натрий 0,01-3 калий 0,01-3