ФЛЮС ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ СТАЛЕЙ Российский патент 2016 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварке, конкретно к электродуговой механизированной сварке под флюсом, в частности к флюсам, предназначенным для сварки и наплавки низко- и среднелегированных сталей.

Известен выбранный в качестве прототипа [1] флюс для механизированной сварки сталей, содержащий SiO₂, Al₂O₃, CaO, CaF₂, MgO, MnO, FeO в следующем соотношении, масс. %: SiO₂=15-21; А1₂О₃=14,5-18,5; CaO=13,5-17,5; CaF₂=19-23,; MgO=7-10; MnO=2-5; FeO=12-22.

Существенными недостатками данного флюса для сварки являются

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

- повышенная загрязненность сварного шва и наплавляемого металла неметаллическими включениями в связи с пониженными рафинирующими свойствами образующегося шлака из-за высокой концентрации MgO и повышенных температур плавления и вязкости флюса;

- высокая окисленность флюса (содержание оксидов железа), приводящая к значительному окислению легирующих элементов в свариваемых сталях, а также к снижению механических свойств сварных конструкций в связи с загрязненностью сварного шва оксидными неметаллическими включениями.

Известен [2] плавленый сварочный низкокремнистый флюс для сварки низко- и среднелегированных сталей, содержащий окись кремния, окись алюминия, окись кальция, окись марганца, фтористый кальций, сумму окислов калия и натрия, фтористый натрий, окислы железа, фосфор, отличающийся тем, что флюс содержит компоненты при следующем соотношении, масс. %: окислы железа 2-4, окись кремния 9-12, окись кальция 18-24, окись алюминия 36-48, окись марганца 5-7, окись магния 5-7, фтористый кальций 5-8, сумма окислов калия и натрия 1-2,5, фтористый натрий 1,0-2,5, фосфор 0,007-0,010, при этом массовое соотношение окиси кремния, кальция и алюминия составляет 1:2:4, а отношение фосфора к сумме окислов железа менее 0,004.

Существенными недостатками данного флюса для сварки являются

- высокая стоимость в связи с использованием дорогостоящих природных материалов и затрат, связанных с подготовкой шихты к плавке и выплавкой флюса в специальных плавильных агрегатах;

- высокая окисленность (содержание оксидов железа), приводящая к загрязнению сварного шва оксидными неметаллическими включениями и снижению механических свойств сварной конструкции, а также к значительному окислению легирующих элементов в свариваемых сталях.

Техническими результатами изобретения являются

- уменьшение стоимости сварочного процесса за счет утилизации отходов производства;

- снижение загрязненности стали неметаллическими включениями;

- снижение угара легирующих элементов при сварке и наплавке;

- повышение механических свойств сварного соединения.

Для этого предлагается флюс для механизированной сварки сталей, в котором в качестве составляющего используют шлак производства силикомарганца при следующем соотношении компонентов, масс. %:

диоксид кремния 25-49,

оксид алюминия 4-28,

оксид кальция 15-32,

фторид кальция 0,1-1,5,

оксид магния 1,7-9,0,

оксид марганца 3-17,

оксид железа 0,1-3,5,

при этом в качестве примесей флюс может содержать серы не более 0,12%, фосфора не более 0,02%.

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

Содержание FeO и MnO выбрано исходя из обеспечения, с одной стороны, низкого окисления легирующих элементов, с другой, - хорошей жидкотекучестью шлаковой системы.

Концентрации CaO, SiO₂, CaF₂, Al₂O₃, MgO выбраны исходя из условий обеспечения хороших укрывных свойств и оптимальной рафинирующей способности образующегося шлака по отношению к неметаллическим включениям. Выбранные пределы обеспечивают хорошее формирование шлака и высокие рафинирующие и укрывные свойства формирующихся шлаков.

Концентрация серы и фосфора во флюсе ограничена с целью снижения вредного влияния данных элементов на качество сварного шва (исключение холодных и горячих трещин при сварке, а также снижение значений механических свойств).

Для изготовления флюса для сварки использовали шлак производства силикомарганца, выплавленный в рудотермических печах углетермическим способом непрерывным процессом. Шихта состояла из марганцевой руды, кварцита и коксика. Выпуск ферросплава (силикомарганца) осуществляли вместе со шлаком в ковш. После разливки силикомарганца шлак при сливе из ковша подвергался охлаждению. В зависимости от интенсивности охлаждения получался стекловидный или пемзовидный шлак, используемый в дальнейшем при сварке. Силикомарганец содержал 64,7-71,7% Mn и 14,8-18,2% Si. Шлак содержал, масс. %.: Sio₂=25-49, Al₂O₃=4-28, CaO=15-32, CaF₂=0,1-1,5, MgO=1,7-9,8 MnO=3-17, FeO=0,1-3,5, S≤0,20 P≤0,05.

Изготовление заявляемого флюса для механизированной сварки и наплавки сталей проводили путем дробления, грохочения и просева через сито (ячейка 2×2 мм). Заявляемый флюс для сварки использовали на образцах из стали марок 09Г2С и 09Г2, для наплавки на сталях 60Г, 35ХГСА, сварку и наплавку осуществляли проволокой Св-08ГА. Сварку и наплавку проводили с использованием пластин длиной не менее 500 мм на сварочном тракторе ASAW-1250. Из сваренных пластин осуществляли вырезку образцов для механических испытаний (предела прочности - б_В, Н/мм², предела текучести - б_T, Н/мм², относительного удлинения δ, %, ударной вязкости при температуре минус 40°C KCU^-40C, Дж/см²), а также макро- и микроисследований.

Для сравнения, в качестве прототипа для сравнения [1] использовали плавленый сварочный флюс марки АН-18 с химическим составом, масс. %: SiO₂=18; Al₂O₃=15,5; CaO=16; CaF₂=21,3,; MgO=9,8; MnO=5; FeO=14.

Использование заявляемого флюса для сварки по сравнению с прототипом позволяет:

1. Снизить стоимость флюса в 2,6 раза.

2. Снизить загрязненность стали оксидными неметаллическими включениями экзогенного характера в среднем на 0,04 мм.

3. Уменьшить угар марганца на 1,7% в сварном шве.

4. Повысить общий уровень механических свойств сварного шва, предел текучести б_т и предел прочности б_B на 0,5-1,2 Н/мм², относительное удлинение на 0,7%, ударной вязкости при отрицательных температурах в среднем на 0,9 Дж/см².

Список источников, принятых во внимание

1. Пат. СССР 261149 B23K 35/362.

2. Пат. СССР 1685660 B23K 35/362.

Изобретение может быть использовано при электродуговой механизированной сварке и наплавке низколегированных сталей. Флюс состоит из шлака производства силикомарганца, который содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: диоксид кремния 25-49, оксид алюминия 4-28, оксид кальция 15-32, фторид кальция 0,1-1,5, оксид магния 1,7- 9,0 оксид марганца 3-17, оксид железа 0,1-3,5. В качестве примесей флюс может содержать серу не более 0,12 мас.% и фосфора не более 0,02 мас.%. Флюс обеспечивает уменьшение стоимости сварочного процесса за счет утилизации отходов производства и снижение загрязненности стали неметаллическими включениями, а также позволяет снизить угар легирующих элементов при сварке и наплавке, что способствует повышению механических свойств сварного соединения.

Флюс для механизированной сварки сталей, содержащий диоксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция, фторид кальция, оксид магния, оксид марганца и оксид железа, отличающийся тем, что упомянутые компоненты он содержит в виде шлака производства силикомарганца при следующем их соотношении, мас.%:
диоксид кремния 25-49,
оксид алюминия 4-28,
оксид кальция 15-32,
фторид кальция 0,1-1,5,
оксид магния 1,7-9,8,
оксид марганца 3-17,
оксид железа 0,1-3,5,
при этом в качестве примесей флюс содержит серу не более 0,12 мас.% и фосфор не более 0,02 мас.%.