Способ получения сварного соединения конструкционной стали Российский патент 2023 года по МПК B23K9/173 

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

После сварки различных металлоконструкций важно, чтобы зона сварного шва обладала схожими механическими свойствами со свариваемым металлом. Поэтому во время сварки необходимо подбирать специальные режимы, чтобы избежать хрупкости сварных соединений, повысить их эластичность и прочность.

Известен 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 B23K 9/00, B23K 9/173, 2005].

Недостатком данного изобретения является:

- сложность реализации способа;

- при работе на открытом воздухе, существует риск образования дефектов в сварном шве в связи с недостаточной защитой реакционной зоны шва;

- недостаточное качество получающегося сварного соединения.

Техническая задача изобретения состоит в разработке технологии сварки конструкционной высокопрочной стали, характеризующейся высоким качеством сварного соединения. Зона сварного шва должна отвечать следующим требованиям:

предел текучести - не менее 650 МПа;

предел прочности - не менее 750 МПа;

относительное удлинение - не менее 8%.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения сварного соединения конструкционной стали плавящимся электродом, включающем сварку в защитном газе на заданных значениях силы сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, диаметре и вылете электродной проволоки, согласно изобретению, сварку осуществляют при сварочном токе 180 - 300 А и напряжении 15 - 40 В, при этом подачу проволоки осуществляют со скоростью 4,0 - 15,0 м/мин, вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 - 30 мм, при этом состав плавящегося электрода состоит из следующих элементов, мас.:

Углерод не более 0,15 Кремний 0,2 - 0,9 Марганец 1,0 - 2,0 Хром 0,05 - 0,6 Никель 0,8 - 1,7 Молибден 0,05 - 0,4 Железо и неизбежные примеси Остальное

Состав образуемого сварного шва состоит из элементов, мас.:

Углерод 0,02 - 0,2 Кремний 0,05 - 0,5 Марганец 1,0 - 2,0 Хром 0,1 - 0,6 Никель 0,05 - 0,6 Медь 0,05 - 0,4 Алюминий 0,001 - 0,15 Молибден 0,001 - 0,35 Ванадий 0,001 - 0,15 Ниобий 0,001 - 0,15 Титан 0,001 - 0,15 Бор не более 0,005 Железо и неизбежные примеси Остальное

Во время сварки в зону сварного шва осуществляют подачу защитного газа с расходом 5 - 20 л/мин.

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

Зона сварного шва характеризуется следующими свойствами:

предел текучести - не менее 650 МПа;

предел прочности - не менее 750 МПа;

относительное удлинение - не менее 8 %.

Сущность изобретения

Сварка проводится на постоянном токе обратной полярности в импульсном режиме (для увеличения глубины проплавления корневого прохода). Сила тока во время сварки должна быть в пределах 180 - 300 А. При силе тока менее 180 А будет риск непровара по кромкам металла и несплавления металла. При силе тока более 300 А увеличивается глубина проплавления, повышается тепловложение, происходит рост зерна в металле шва, вследствие чего снижаются механические свойства шва и прилегающей к нему зоны стали.

Напряжение во время сварки поддерживают в диапазоне 15 - 40 В. При значениях напряжения меньше 15 В, возможны несплавления металла вследствие слишком короткой дуги. С ростом напряжения свыше 40 В наблюдается повышенное разбрызгивание металла и меньшее проплавление, ухудшается газовая защита.

Скорость подачи сварочной проволоки для струйного переноса металла должна быть 4,0 - 15,0 м/мин. Выбор скорости в указанном диапазоне позволяет осуществлять процесс сварки стабильно, с равномерной чешуйчатостью сварного соединения, при этом высота чешуек не будет превышать 0,1 мм, что обеспечивает физико-механические свойства по всей длине шва.

Вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 - 30 мм. При вылете проволоки менее 10 мм будет образование пор, в связи с появлением турбулентного потока защитного газа. При вылете проволоки более 30 мм ухудшается газовая защита сварочной ванны, что также приводит к образованию пор в теле шва.

Для защиты зоны сварного шва от окисления производят подачу защитного газа с расходом 5 - 20 л/мин. Подача защитного газа с расходом менее 5 л/мин недостаточна для защиты зоны сварного шва от окисления. Подача защитного газа с расходом более 20 л/мин экономически нецелесообразна.

В качестве защитного газа применяют смесь аргона и CO₂. Их применение в заявленном соотношении объемных частей (0,7-0,9)/(0,3-0,1) обусловлено необходимостью обеспечения мелкокапельного переноса металла в реакционную зону.

Заявляемый химический состав сварного шва обусловлен необходимостью сварки конструкционной высокопрочной стали с заданным химическим составом.

Для сварки заявляемого химического состава основного металла, экспериментально подобран химический состав плавящегося электрода, который обеспечивает все физико-механические свойства сварного соединения с аналогичными основному металлу.

Пример реализации

Сварке подвергались заготовки с химическим составом, указанным в таблице 1.

Было проведено четыре эксперимента по сварке заготовок. В таблице 2 приведены контролируемые параметры сварки и механические свойства сварного соединения.

Как видно из таблицы 2, при соблюдении заявленных параметров сварки, сварное соединение обладает всеми требуемыми механическими свойствами. При несоблюдении каких-либо параметров сварки (эксперимент 5) наблюдается снижение механических свойств сварного соединения.

Таблица 1 Массовая доля элементов, % Сера Фосфор Углерод Марганец Кремний Хром Алюминий Никель Медь Молибден Титан Не более 0,04-0,20 0,9-1,9 0,1-0,5 не более 0,5 0,02-0,09 не более 0,4 не более 0,4 0,05-0,5 0,003-0,10 0,011 0,015 * - содержание, ванадия, ниобия и молибдена было 0,006 %.

Таблица 2 № экспери-мента Сила тока,
А Напряже-ние, В Расход защитного газа,
л/мин Скорость подачи проволоки, м/мин Рентгено-
графический контроль Механи-
ческие испытания Предел текучести зоны сварного шва, МПа Предел прочности зоны сварного шва, МПа Относительное удлинение, % 1 182 18 10 5 уд уд 750 780 11 2 245 27 12 9 уд уд 760 810 10 3 284 28 9 10 уд уд 710 770 12 4 293 34 18 14 уд уд 710 770 12 5 315 33 21 17 уд неуд 660 698 8

Изобретение может быть использовано при изготовлении металлоконструкций из конструкционной высокопрочной стали. Сварку проводят плавящимся электродом в защитном газе при сварочном токе 180 - 300 А и напряжении 15 - 40 В, подачу проволоки осуществляют со скоростью 4,0 - 15,0 м/мин, вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 - 30 мм. Плавящийся электрод имеет следующий состав, мас.%: углерод не более 0,15, кремний 0,2 - 0,9, марганец 1,0 - 2,0, хром 0,05 - 0,6, никель 0,8 - 1,7, молибден 0,05 - 0,4, железо и неизбежные примеси – остальное. Способ обеспечивает получение следующих механических свойств сварного соединения: предел текучести – не менее 650 МПа, предел прочности – не менее 750 МПа, относительное удлинение – не менее 8 %. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Способ получения сварного соединения конструкционной стали, включающий сварку в защитном газе плавящимся электродом, отличающийся тем, что сварку осуществляют при сварочном токе 180 – 300 А и напряжении 15 – 40 В, при этом подачу проволоки осуществляют со скоростью 4,0 – 15,0 м/мин, а вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 – 30 мм, причем плавящийся электрод имеет следующий состав, мас.%:

Углерод не более 0,15 Кремний 0,2 – 0,9 Марганец 1,0 – 2,0 Хром 0,05 – 0,6 Никель 0,8 – 1,7 Молибден 0,05 – 0,4 Железо и неизбежные примеси Остальное

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают сварное соединение со следующим составом сварного шва, мас.%:

Углерод 0,02 – 0,2 Кремний 0,05 – 0,5 Марганец 1,0 – 2,0 Хром 0,1 – 0,6 Никель 0,05 – 0,6 Медь 0,05 – 0,4 Алюминий 0,001 – 0,15 Молибден 0,001 – 0,35 Ванадий 0,001 – 0,15 Ниобий 0,001 – 0,15 Титан 0,001 – 0,15 Бор не более 0,005 Железо и неизбежные примеси Остальное

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу защитного газа в зону сварного шва осуществляют с расходом 5 – 20 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 он обеспечивает получение сварного шва со следующими свойствами:

предел текучести – не менее 650 МПа

предел прочности – не менее 750 МПа

относительное удлинение – не менее 8%.