Способ сварки плавящимся электродом Российский патент 2022 года по МПК B23K9/173 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при изготовлении металлоконструкций.

Известен способ сварки плавящимся электродом в защитных газах, который ведут на критическом токе, который рассчитывается в зависимости от теплофизических свойств металла электрода и его размеров: диаметра и вылета [Патент RU № 2250157, МПК B23K9/173, 2005].

Недостатком данного изобретения являются ограничения, накладываемые на режимы сварки: узкий диапазон регулировки сварочного тока и напряжения на дуге.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ сварки плавящимся электродом, при котором сварку ведут на заданных значениях силы сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, диаметра и вылета электродной проволоки, а силу сварочного тока, напряжение на дуге и скорость сварки рассчитывают для каждого параметра по соотношениям [Патент RU № 2252847, МПК B23K9/00, B23K9/173, 2005].

Недостатком данного изобретения является то, что при работе на открытом воздухе, существует риск образования дефектов в сварном шве в связи с недостаточной защитой реакционной зоны шва.

Техническая задача изобретения заключается в разработке технологии сварки высокопрочных сталей (предел текучести более 420 МПа) плавящимся электродом в защитном газе, характеризующейся высоким качеством швов сварных соединений, при исполнении в заводских условиях.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе сварки плавящимся электродом, сварку осуществляют при сварочном токе 120 – 310 А и напряжении 18 – 33 В, при этом подачу проволоки осуществляют со скоростью 4 – 12 м/мин, а вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 – 30 мм.

Состав плавящегося электрода состоит из следующих элементов, мас.: C не более 0,10, Si 0,5-0,9, Mn 1,2-1,6, Cr 0,06-0,1, Ni 0,8-1,2, Cu 0,1-0,8, Ti 0,05-0,1, Al 0,01-0,025, остальное – железо и неизбежные примеси.

Состав свариваемого материала состоит из элементов, мас.: C 0,1-0,13, Si 0,2-0,4, Mn 1,3-1,7, Cr 0,02-0,04, Ni 0,01-0,03, Cu 0,02-0,05, Al 0,03-0,06, Mo 0,001-0,15, V 0,02-0,04, Nb 0,03-0,06, Ti 0,01-0,02, остальное – железо и неизбежные примеси.

В одном из вариантов исполнения подача газа в зону сварного шва осуществляется с расходом 6-18 л/мин.

В качестве защитного газа может применяться смесь аргона и углекислого газа при соотношении объемных частей (0,7 – 0,9)/(0,3-0,1) соответственно.

Перед началом сварки может осуществляться предварительный подогрев основного металла до температуры 75-115°C на расстоянии не более 35 мм от центра сварного шва.

В одном из вариантов температура между проходами составляет не более 190°C.

В результате могут обеспечиваться механические свойства сварного соединения, имеющие следующие параметры: предел текучести 440 – 490 МПа, предел прочности 600 – 660 МПа, относительное удлинение 16 – 30 %, ударная вязкость 90 – 250 Дж/см² при -20°С, 55 – 240 Дж/см² при -40, 40 – 100 Дж/см² при -60°С.

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.

Сила тока во время сварки должна быть в пределах 120 – 310 А. При силе тока менее 120 А будет недостаточное проплавление (не достаточное проникновение сварочной ванный в тело основного металла). При силе тока более 310 А будет снижение механических свойств в зоне термического влияния по причине увеличения погонной энергии на мм².

Напряжение во время сварки поддерживают в диапазоне 18 – 33 В. При значениях напряжения меньше 18 В появляется высокий риск несплавления кромок свариваемых деталях/частей. С ростом напряжения свыше 33 В наблюдается появление подрезов глубиной более 0,5мм на всей протяженности сварного соединения.

Скорость подачи проволоки должна быть 4 – 12 м/мин для обеспечения необходимого диапазона регулировки сварочного тока.

Вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 – 30 мм. При вылете проволоки менее 10 мм будет чрезмерная подача защитного газа в зону сварки, что приводит к ламинарному течению (завихрению) и как следствию появлению пористости в сварном соединении, а также невозможности в достаточной мере контролировать процесс сварки.

При вылете проволоки более 30 мм наблюдается недостаточная защита сварочной ванны от кислорода, что так же приводит к образованию пористости в сварном соединении. При вылете проволоки более 30 мм невозможно корректно настроить и выдержать заданное напряжения на дуге.

Предварительный подогрев основного металла до температуры 75-115°C на расстоянии не более 35 мм от центра сварного шва осуществляется с целью предотвращения появления холодных трещин. Подогрев ниже 75°C не рекомендуется по причине риска не сплавления кромок свариваемых деталей, а также в связи с риском появления холодных трещин. Подогрев выше 115°C не рекомендуется по причине риска перегрева и как следствие повышения погонной энергии в процессе сварки.

Температура между проходами не должна составлять более 190°C по причине роста зерна (особенно в зоне термического влияния), что приводит к ухудшению механических свойств сварного соединения.

Для защиты зоны сварного шва от окисления производят подачу защитного газа с расходом 6-18 л/мин. Подача защитного газа с расходом менее 6 л/мин, как правило, вызывает появление пористости в сварном соединении. Подача защитного газа с расходом более 18 л/мин может вызывать завихрения сварочной ванны и ухудшение качества сварного соединения, а также влечёт чрезмерные затраты на сварочный газ.

В качестве защитного газа применяют смесь аргона и углекислого газа в соотношении объемных частей (0,7 – 0,9)/(0,3-0,1) соответственно, для минимизации разбрызгивания и более стабильного горения дуги.

Пример осуществления способа.

Было проведено 10 экспериментов сварки различных деталей (предел текучести более 420 МПа), со следующим химическим составом, мас.%:

Углерод 0,1 – 0,13

Кремний 0,2 – 0,4 Марганец 1,3 – 1,7 Хром 0,02 – 0,04 Никель 0,01 – 0,03 Медь 0,02 – 0,05 Алюминий 0,03 – 0,06 Молибден 0,001 – 0,15 Ванадий 0,02 – 0,04 Ниобий 0,03 – 0,06 Титан 0,01 – 0,02

Во всех случаях (8 экспериментов), когда параметры сварки удовлетворяли заявляемым, свойства сварного шва отвечали требуемым качественным характеристикам. В двух экспериментах, когда ряд параметров сварки выходили за рекомендованные диапазоны, наблюдалось ухудшение качества сварного шва и снижение его механических характеристик.

Таким образом, разработанный способ сварки плавящимся электродом высокопрочных сталей позволяет получать сварные соединения с высоким качеством сварного шва.

Изобретение может быть использовано при изготовлении металлоконструкций из высокопрочных сталей с пределом текучести более 420 МПа. Сварку плавящимся электродом осуществляют при сварочном токе 120–310 А и напряжении 18–33 В. Подачу проволоки осуществляют со скоростью 4–12 м/мин, а вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10–30 мм. Используют плавящийся электрод следующего состава, мас.%: C не более 0,10, Si 0,5-0,9, Mn 1,2-1,6, Cr 0,06-0,1, Ni 0,8-1,2, Cu 0,1-0,8, Ti 0,05-0,1, Al 0,01-0,025, остальное – железо и неизбежные примеси. Подачу защитного газа, в частности смеси аргона и углекислого газа, в зону сварного шва осуществляют с расходом 6-18 л/мин. Перед началом сварки осуществляют предварительный подогрев основного металла до температуры 75-115°C на расстояние не более 35 мм от центра сварного шва. Температура между проходами составляет не более 190°C. Способ обеспечивает высокое качество швов сварных соединений при его реализации в заводских условиях. 6 з.п. ф-лы,

1. Способ сварки высокопрочных сталей плавящимся электродом в защитных газах, включающий сварку на заданных значениях силы сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, диаметра и вылета электродной проволоки, отличающийся тем, что перед началом сварки осуществляют предварительный подогрев свариваемой стали до температуры 75–115°С, сварку производят при сварочном токе 120–310 А и напряжении 18–33 В, при этом подачу проволоки осуществляют со скоростью 4–12 м/мин, вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10–30 мм, а плавящийся электрод имеет следующий состав, мас.%:

Углерод не более 0,10 Кремний 0,5–0,9 Марганец 1,2–1,6 Хром 0,06–0,1 Никель 0,8–1,2 Медь 0,1–0,8 Титан 0,05–0,1 Алюминий 0,01–0,025 Железо и неизбежные примеси остальное

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют сварку высокопрочной стали следующего состава, мас.%:

Углерод 0,1–0,13 Кремний 0,2–0,4 Марганец 1,3–1,7 Хром 0,02–0,04 Никель 0,01–0,03 Медь 0,02–0,05 Алюминий 0,03–0,06 Молибден 0,001–0,15 Ванадий 0,02–0,04 Ниобий 0,03– 0,06 Титан 0,01–0,02 Железо и неизбежные примеси остальное

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время сварки в зону сварного шва осуществляют подачу защитного газа с расходом 6–18 л/мин.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве защитного газа применяют смесь аргона и углекислого газа при соотношении объемных частей (0,7–0,9)/(0,3–0,1) соответственно.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительный подогрев стали перед началом сварки осуществляют на расстояние не более 35 мм от центра сварного шва.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура между проходами составляет не более 190°С.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он обеспечивает получение сварного соединения, механические свойства которого имеют следующие параметры:

Предел текучести (МПа) 440–490 Предел прочности (МПа) 600–660 Относительное удлинение (%) 16–30 Ударная вязкость (Дж/см²) при -20°С 90–250 Ударная вязкость (Дж/см²) при -40°С 55–240 Ударная вязкость (Дж/см²) при -60°С 40–100