Способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей Российский патент 2023 года по МПК B23K9/173 B23K9/235 B23K35/362 

Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 4,0 до 30,0 мм.

Известен способ сварки плавящимся электродом со сквозным проплавлением, при котором металл сварочной ванны удерживают за счет сил поверхностного натяжения из-за нанесенной флюсовой пасты на поверхность стыка со стороны корня шва, состоящей из нескольких фторидов CaF₂–BaF₂–SrF₂. Этот способ служит для повышения качества сварных соединений материалов из углеродистых и низколегированных сталей толщиной от 4,0 мм до 6,0 мм [S. G. Parshin (2012): Using ultrafine particles of activating fluxes for increasing the productivity of MIG/MAG welding of steels, Welding International, 26:10, P. 800-804].

Однако известный способ невозможно использовать для сварки сталей более 6 мм, вследствие возникновения на поверхности расплавленной сварочной ванны шлакового слоя переменного состава из-за образования комплексных соединений, не препятствующих проникновению ионов кислорода к расплаву сварочной ванны, которые уменьшают величину поверхностного натяжения и момент силы, изгибающий поверхность расплавленного металла в сторону увеличения геометрических параметров обратного валика.

Известен способ сварки с помощью поверхностно-инактивного компонента в виде ZrO₂ наносимого на обратную сторону стыка размерностью до 60 мкм и толщиной покрытия 200-300 мкм, который позволяет увеличить объем расплавленного металла сварочной ванны, удерживаемый в разделке [Способ управления формированием корневого шва / П.П. Красиков, О.А. Полесский, А.В. Савинов, И.Е. Лапин // Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 10. - Волгоград, 2014. - № 23 (150). - C. 128-130].

Однако при данном способе нанесения покрытия нет возможности проконтролировать толщину и равномерность нанесенного оксидного слоя, что в свою очередь ухудшает формирование обратного валика, а именно приводит к прожогам и неравномерности получаемых геометрических параметров по длине шва, ухудшая механические свойства получаемого соединения.

Наиболее близким является способ сварки корневого шва с разделкой кромок в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа, с применением флюсовой пасты на основе Al₂O₃ для стабилизации геометрических параметров получаемого сварного соединения [Stabilization of Root Parameters for Shielded Arc Welding / P.P. Krasikov, A.V. Savinov, O.A. Polesskiy, A.A. Chudin, L.S. Krasikova, I.V. Kozlov, D.S. Borisov and V.V. Filippov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 1118 : International Conference on Mechanical Engineering and Modern Technologies (MEMT 2020) (Tomsk, Russia, 26-30 October, 2020) / Tomsk Polytechnic University. – [IOP Publishing], 2021. – 5 p. – DOI: 10.1088/1757-899X/1118/1/012012].

Недостатком данного способа является ограниченность применения по толщине изделия до 10 мм и параметрами режима сварки.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа сварки плавящимся электродом в смеси защитных газов 82%Ar+18%CO₂ углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, обеспечивающего минимальный размер обратного валика в широком диапазоне параметров режима сварки и толщин изделия без ухудшения механических свойств сварного соединения.

Технический результат заключается в увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.

Технический результат достигается в способе сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором сварка ведется в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, при этом флюс-паста наносится в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%.

Сущность способа заключается в том, что порошок Y₂O₃ или CaO просеивается с помощью сита №004 по ГОСТ6613-86 размерная сетка сита, обеспечивает разную размерность зерен оксида менее 39 мкм. После чего полученный порошок разводится спиртом в массовом соотношении 1 часть оксида к 3 частям спирта. Полученная суспензия при помощи пульверизатора с диаметром сопла 0,5 мм с расстояния 15 см наносится на свариваемые поверхности с обеспечением за одно нажатие пятна нанесенного покрытия площадью 12,6 см² и поверхностной плотностью 0,0225-0,0275 г/см². Далее сопло пульверизатора перемещается на половину диаметра полученного пятна и наносится второй слой покрытия. При этом получают требуемую плотность нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см² и относительную концентрацию оксида в зоне расплава сварочной ванны равную 1,8-2,2%. Далее осуществляется сварка в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа плавящимся электродом сталей марки Ст3сп толщиной 4 мм с разделкой кромок С2 по ГОСТ 14771-76 и стали 09Г2С толщиной 30 мм с разделкой кромок С17 по ГОСТ 14771-76.

Применение оксидного покрытия плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см² и массовой концентрацией в зоне сварочной ванны в диапазоне 1,8-2,2% приводит к получению обратного валика с параметрами, не выходящими за пределы допустимых по ГОСТ 14771-76. При этом повышение поверхностного натяжения на границе между контактирующим оксидом и жидкой сварочной ванны позволяет расширить диапазон параметров режима сварки. При контакте двух фаз с различной работой выхода электрона на границе между двумя точками вблизи границы контакта возникает контактная разница потенциалов, которая препятствует проникновению к границе расплавленной сварочной ванны ионов кислорода О^2- и окислению сварочной ванны с образованием FeO уменьшающего поверхностное натяжение расплавленной сварочной ванны.

Учет размера частиц и выполнение заданных параметров поверхностной плотности нанесенного покрытия создает высокую адгезию между частицами оксида и поверхностью металла, вследствие чего не происходит его осыпание во время сварки и, соответственно, уменьшения объема сварочной ванны, что в свою очередь обеспечивает стабильность получения геометрических параметров обратного валика в широкой области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса.

Расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа позволяет увеличить диапазон допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения, что значительно облегчает сварочный процесс.

Уменьшение концентрации оксида в зоне сварочной ванны ниже заявленного интервала приводит к увеличенному провисанию обратного валика, уменьшению диапазона режимов сварки, в которых параметры обратного валика находятся в допуске. При высоте обратного валика более 2 мм, происходит уменьшение прочности сварного соединения из-за насыщения металла сварочной ванны газами и появления пор в корне шва. Увеличение концентрации оксида в зоне сварочной ванны выше заявленного интервала не приводит к существенному изменению нормируемого показателя высоты обратного валика.

Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки Ст3сп (разделка по ГОСТ 14771-76-С2) толщиной 4 мм с использованием оксидного покрытия из Y₂O₃ приведены в таблице 1.

Таблица 1

Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, % Параметры режима сварки Временное сопротивление разрыва, МПа Высота обратного валика, мм скорость подачи электрод-ной проволоки V_п.п., м/ч напряжение на дуге, U_д., В скорость сварки V_св., м/ч 1,6 100 26 34 -- несплавление 200 27 460-465 1,5 300 29 2,0 400 33 440-455 3,0 250 26 24 -- прожог 34 440-455 1,7 44 1,0 48 -- несплавление 1,8 100 26 34 460-465 0,1 200 27 0,9 300 29 1,7 400 33 2,0 250 26 24 460-465 1,8 34 1,4 44 0,8 48 0,4 2,0 100 26 34 460-465 0,3 200 27 1,0 300 29 1,8 400 33 1,9 250 26 24 460-465 2,0 34 1,5 44 0,9 48 0,2 2,2 100 26 34 460-465 0,2 200 27 1,1 300 29 1,9 400 33 2,0 250 26 24 2,0 34 1,6 44 0,5 48 0,1 2,4 100 26 34 -- несплавление 200 27 460-465 1,4 300 29 2,0 400 33 -- прожог 250 26 24 прожог 34 460-465 1,8 44 0,15 48 -- несплавление Механические свойства основного материала (Ст3сп) по ГОСТ 535-2005 460-465 - -

Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм с использованием оксидного покрытия из CaO приведены в таблице 2.

В таблице 2 для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм приведены параметры обратного валика, получаемые в результате сварки, выполненной в соответствии с параметрами по прототипу (толщина пластины 10 мм, смесь защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.%, флюс-паста на основе Al₂O₃).

Нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С2 составляет 1,0±1,0 мм, нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С17 составляет 0^+2,0 мм.

Таблица 2

Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, % Параметры режима сварки Временное сопротивление разрыва, МПа Высота обратного валика, мм скорость подачи электродной проволоки V_п.п., м/ч напряжение на дуге, U_д., В скорость сварки V_св., м/ч 1,6 350 26 34 -- несплавление 400 27 482-485 1,2 500 29 2,5 600 33 470-475 3,2 700 34 -- прожог 550 29 20 -- прожог 24 482-485 2,0 34 1,0 44 0,2 48 -- несплавление 1,8 350 26 34 482-485 0,5 400 27 1,1 500 29 1,5 600 33 1,7 700 34 2,0 550 29 20 482-485 2,0 24 1,7 34 1,5 44 1,3 48 0,2 2,0 350 26 34 482-485 0,2 400 27 1,2 500 29 1,4 600 33 1,5 700 34 1,8 550 29 20 482-485 1,8 24 1,6 34 1,4 44 1,0 48 0,4 2,2 350 26 34 482-485 0,3 400 27 1,2 500 29 1,5 600 33 1,7 700 34 1,8 550 29 20 1,9 24 1,7 34 1,6 44 1,1 48 0,3 2,4 350 26 34 -- несплавление 400 27 482-485 1,1 500 29 1,4 600 33 1,5 700 34 1,9 550 29 20 -- прожог 24 482-485 1,7 34 1,6 44 1,0 48 0,3 по прототипу 400 26 34 -- несплавление 420 27 0,5 480 29 1,0 550 30 2,0 600 32 прожог Механические свойства основного материала (09Г2С) по ГОСТ 19281-2014 480-485 --

Таким образом, способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%, обеспечивает увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.

Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 4,0 до 30,0 мм. На свариваемые поверхности наносят флюс-пасту в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3. Получают покрытие с плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрацией оксида в зоне расплава сварочной ванны, равной 1,8-2,2%. Сварку осуществляют в смеси защитных газов, состоящей из 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа. Технический результат заключается в увеличении области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм. 2 табл.

Способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором сварку ведут в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, отличающийся тем, что флюс-пасту наносят в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3, нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия с плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрацией оксида в зоне расплава сварочной ванны, равной 1,8-2,2%.