Покрытый электрод для подводной мокрой сварки Российский патент 2024 года по МПК B23K35/365 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при ручной подводной мокрой сварке и наплавке металлических конструкций из углеродистых и низколегированных сталей.

Известен покрытый электрод для сварки низкоуглеродистых сталей (см. Савич И.М., Ляховая И.В., Максимов С.Ю., Кононенко В.Я., Пинтов Н.П. Электрод для сварки низкоуглеродистых сталей. Авторское свидетельство СССР №1706821 от 13.04.1990 г., опубл. 23.01.1992 г., Бюл. №3), который состоит из стального стержня и покрытия, содержащего следующие компоненты, мас. %: полевой шпат 6-11; мрамор 3-7; ферромарганец 5-20; целлюлоза 1-2,5; рутиловый концентрат - остальное. Компоненты покрытия смешивают с жидким стеклом, наносят на стальной стержень и после сушки и прокалки наносят гидроизолирующее покрытие. Указанный электрод позволяет улучшить формирование шва при подводной мокрой сварке низколегированных сталей в различных пространственных положениях. Однако использование электрода при сварке сталей повышенной прочности типа 09Г2С не позволяет достичь равнопрочности сварного шва со свариваемым металлом. Причиной этого является повышенное содержание в покрытии алюмосиликатов полевого шпата K[AlSi₃O₈], Na[AlSi₃O₈], Ca[Al₂Si₂O₈], а также рутилового концентрата до 60%. Повышение содержания оксидов в покрытии вызывает окисление сварочной ванны и образование в нее оксидных шлаковых включений, что снижает прочность и пластичность шва.

Известен электрод для подводной сварки малоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей (см. Ляховая И.В., Максимов С.Ю., Бут B.C., Радзиевская А.А., Дрогомирецкий М.Н., Педько Б.И., Оверко А.Ф. Электрод для подводной сварки. Патент РФ №2364483 от 11.05.2006 г., опубл. 20.11.2007 г., Бюл. №23), который состоит из стального стержня из стали Св-08 и покрытия, содержащего следующие компоненты, мас. %: полевой шпат 8-12; плавиковый шпат 19,5-28; рутиловый концентрат 18-33,5; окись железа 13-28; магнезит 4-8; марганец 5-10; ферросилиций 0,5-2; порошок никеля 0,5-3,5; карбометилцеллюлоза 1-2,5. Подводная мокрая сварка указанными электродами позволяет улучшить формирование шва, повысить прочность шва при сварке стали Ст3 до 475 МПа и относительное удлинение шва до 14%.

Однако использование электрода при сварке сталей с повышенным пределом прочности более 475 МПа не позволяет достичь равнопрочности сварного шва со свариваемым металлом. Причиной этого также является повышенное содержание в покрытии алюмосиликатов полевого шпата K[AlSi₃O₈], Na[AlSi₃O₈], Ca[AlSi₂O₈] до 12%, окиси железа до 28%, а также рутилового концентрата до 33,5%. Большое содержание оксидов в покрытии вызывает образование кислого шлака, который окисляет сварочную ванну сформированием шлаковых включений в виде FeO, MnO, SiO₂, что снижает прочность и пластичность шва.

Известен покрытый электрод ЭПС-А для ручной дуговой сварки (см. Мурзин В.В., Руссо В.Л., Евсеев В.Р., Узилевский Ю.А. Электрод ручной дуговой сварки. Авторское свидетельство СССР №1549706 от 09.03.1988 г., опубл. 15.03.1990 г., Бюл. №10), который принят за прототип. Указанный электрод состоит из высоколегированного стержня марки Св-10Х16Н25АМ6 и покрытия, содержащего следующие компоненты, мас. %: полевой шпат 3-5; мрамор 14-16; плавиковый шпат 24-26; ферромарганец 9-11; ферротитан 4-6; ферросилиций 4-6; поташ 0,5-1; рутиловый концентрат - остальное. Указанный электрод применяют для подводной мокрой сварки низколегированных сталей 10ХСНД, 12ХН2МД. Электрод содержит меньшее количество алюмосиликатов до 5%, рутилового концентрата - до 41,5%, а также группу раскислителей, что позволяет улучшить механические свойства шва и снизить объем шлаковых включений. Однако использование электрода при сварке перлитной стали 12ХН2МД с эквивалентом углерода 0,67 вызывает появление холодных трещин. Причиной этого является неблагоприятное соотношение эквивалентов никеля и хрома в наплавленном металле, что образует мартенситные структуры на границе с перлитной сталью. Кроме того, применение высоколегированного стержня увеличивает стоимость электрода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочности и ударной вязкости сварного шва за счет оптимизации газошлаковой системы покрытия штучного электрода.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что штучный электрод изготавливают из углеродистого стального стержня на поверхность которого наносят покрытие из смеси порошкообразной шихты и жидкого стекла при следующем содержании компонентов, мас. %: комплексный фторид щелочного металла 20-38; фторид редкоземельного металла 18-35; рутиловый концентрат 18-24; фторид щелочноземельного металла 12-18; карбонат щелочноземельного металла 7-12; порошок никеля 2,5-5; порошок марганца 2,5-5,5; ферросиликоцирконий 3-7; порошок алюминия 2-3,5.

В отличие от прототипа, предлагаемый электрод имеет покрытие с высоким содержанием комплексного фторида щелочного металла, фторида редкоземельного металла и фторида щелочноземельного металла. Комбинация этих компонентов позволяет улучшить шлаковое изолирование сварочной ванны от воды при достаточной плотности шлаковой системы, что снижает образование дефектов в наплавленном металле. Уменьшение содержания рутилового концентрата и повышенное содержание раскислителей в покрытии позволяет снизить степень окисления сварочной ванны и уменьшить объем неметаллических шлаковых включений, что увеличивает прочность и ударную вязкость сварного шва.

Покрытие электрода имеет высокое суммарное содержание фторида щелочноземельного металла, фторида редкоземельного металла и комплексного фторида щелочного металла, которые при сварке разлагаются с выделением значительного количества фтора. Щелочноземельные, щелочные и редкоземельные металлы являются элементами с низким потенциалом ионизации, что улучшает стабильность горения дуги под водой и снижает напряжение дуги, улучшая формирование шва. Фтор связывает молекулы, атомы и ионы водорода в парогазовом пузыре с образованием газообразного фтористого водорода HF, что снижает образование газовой пористости и улучшает плотность сварного шва.

Такое сочетание известных и новых признаков позволяет повысить прочность и ударную вязкость сварного шва при подводной мокрой сварке металлических конструкций из углеродистых и низколегированных сталей. Это становится возможным, поскольку в покрытии электрода отсутствуют алюмосиликаты и оксиды железа. Кроме того, покрытие электрода имеет пониженное содержание рутилового концентрата и повышенное содержание фторидов, что позволяет предохранить сварочную ванну от окисления и образования шлаковых включений. Применение стального стержня из углеродистой стали типа Св-08А по ГОСТ 2246-70 вместо высоколегированного стержня по прототипу, позволяет снизить стоимость производства предлагаемых электродов.

Введение в покрытие комплексного фторида щелочного металла при содержании 20-38%, например, гексафторалюмината натрия Na₃AlF₆, совместно с рутиловым концентратом при оптимальном содержании 18-24% позволяет обеспечить надежную шлаковую защиту сварочной ванны от проникновения воды, водорода и кислорода. Снижение содержания указанных компонентов ниже оптимального значения приводит к нарушению шлаковой защиты сварочной ванны и появлению дефектов, а увеличение содержания снижает стабильность горения сварочной дуги.

Гексафторалюминат натрия Na₃AlF₆ имеет низкую температуру плавления 1009°С и низкое поверхностное натяжение - около 130 мДж/м², что способствует смачиванию металла шлаком и уменьшает межфазное натяжение расплавленного металла стального стержня. Это улучшает процесс капельного перехода металла в сварочную ванну при расплавлении порошковой проволоки, стабильность горения дуги и формирования сварного шва. Аналогичное влияние оказывают гексафторалюминаты Li₃AlF₆, K₃AlF₆, гексафтортитанаты Na₂TiF₆ Li₂TiF₆, K₂TiF₆, гексафторсиликаты Na₂SiF₆ Li₂SiF₆, K₂SiF₆, гексафторцирконаты Na₂ZrF₆ Li₂ZrF₆, K₂ZrF₆.

При уменьшении содержания комплексного фторида щелочного металла ниже оптимального значения ухудшается способность шихты к активному связыванию воды и водорода, что приводит к появлению дефектов в наплавленном металле шва. При увеличении содержания комплексного фторида щелочного металла выше оптимального значения ухудшается стабильность горения дуги и формирование шва.

Насыщение дуги гексафторалюминатом натрия способствует интенсивным металлургическим реакциям. При сварке он разлагается с выделением значительного количества натрия и фтора. Натрий является элементом с низким потенциалом ионизации, что улучшает стабильность горения дуги под водой и снижает напряжение дуги. Фториды связывают молекулы, атомы и ионы водорода в парогазовом пузыре с образованием газообразного фтористого водорода HF, что снижает образование дефектов и улучшает качество сварных соединений.

В качестве фторида редкоземельного металла выбирают фториды группы: фторид лантана, фторид церия, фторид иттрия, фторид неодима, фторид тория при оптимальном содержании 18-35%. Указанные соединения РЗМ обладают более высокой плотностью по сравнению с плотностью легких шлаков на основе CaF₂ (3,18 г/см³), TiO₂ (4,14 г/см³), см. табл. 1. (CRC Handbook of chemistry and physics. 97th edition. Editor-in-chief W.M. Haynes. CRC Press, 2017, 2641 p.).

Вместе с тем, плотности фторидов РЗМ меньше, чем плотности железа - 7,87 г/см³, что позволяет расплавленному шлаку удаляться из сварочной ванны без образования шлаковых включений. Температуры плавления фторидов РЗМ и фторидов щелочноземельных металлов находятся в диапазоне 1110-1477°С, что способствует образованию однородного шлака.

Дополнительным эффектом для повышения прочности и ударной вязкости является обогащение наплавленного металла редкоземельными металлами (РЗМ) за счет диффузионного микролегирования РЗМ из шлака, состоящего из расплавленных фторидов РЗМ. РЗМ измельчают микроструктуру и повышают вязкость сталей, поскольку являются эффективными модификаторами (см. Ефименко Н.Г. Редкоземельные металлы в сварочных материалах: Монография. - Харьков: Коллегиум, 2017. - 188 с). Оптимальное содержание фторида редкоземельного металла составляет 18-35%. Уменьшение содержания фторида РЗМ ухудшает шлаковую защиту сварочной ванны, а превышение содержания приводит к снижению стабильности горения дуги и формирования шва.

Оптимальное содержание фторида щелочноземельного металла, например, фторида кальция CaF₂ составляет 12-18%. При уменьшении содержания фторида кальция ниже оптимального значения объем образующегося шлака является недостаточным для защиты сварочной ванны от проникновения воды, водорода и кислорода, что ухудшает формирование и качество сварного шва. При увеличении содержания оптимального значения уменьшается коэффициент наплавки и эффективность тепловложения, что снижает производительность процесса сварки. В качестве фторида щелочноземельного металла можно использовать фторид кальция, фторид магния, фторид стронция, фторид бария, которые имеют близкие температуры плавления и плотность, см. табл.1.

Введение в состав шихты карбоната щелочноземельного металла при оптимальном содержании, мас. %: 7-12 способствует улучшению газовой защиты сварочной ванны за счет увеличения парциального давления углекислого газа в парогазовом пузыре, что снижает концентрацию водяного пара и водорода над сварочной ванной. При уменьшении содержания карбоната ухудшается газовая защита и увеличивается пористость сварного шва, а при увеличении содержания карбоната снижается стабильность горения дуги. В качестве карбоната щелочноземельного металла можно использовать карбонаты кальция, магния, стронция и бария по отдельности, либо в виде смеси, которые при нагреве разлагаются с образованием углекислого газа.

Введение в состав покрытия порошка никеля при содержании 2,5-5% способствует увеличению прочности, ударной вязкости и пластичности сварных швов. При уменьшении содержания никеля ниже оптимального значения отсутствует эффект по увеличению прочности, ударной вязкости и пластичности. При увеличении содержания никеля выше оптимального значения возрастает опасность появления мартенситных структур и охрупчивания шва.

Введение в состав покрытия порошка марганца при содержании 2,5-5,5% способствует связыванию вредных загрязнений в виде серы в тугоплавкие сульфиды марганца MnS и увеличению прочности сварного шва. При уменьшении содержания марганца ниже оптимального значения отсутствует эффект по увеличению прочности шва. При увеличении содержания марганца выше оптимального значения ухудшается формирование шва, сварочно-технологические свойства дуги и прозрачность воды из-за интенсивного испарения марганца.

Введение в состав шихты ферросиликоцирконня при содержании 3-7% и порошка алюминия при содержании 2-3,5% способствует интенсификации раскислительных процессов, восстановлению оксида железа, росту коэффициента перехода марганца и кремния в сварной шов, что приводит к росту прочности и пластичности шва. Кроме того, введение ферросиликоцирконня улучшает отделимость шлаковой корки от поверхности сварного шва. Увеличение содержания ферросиликоцирконня и алюминия приводит к снижению пластичности и охрупчиванию сварного шва.

В качестве примера применения предлагаемого покрытого электрода является ручная подводная мокрая сварка пластин из стали марки 09Г2С размером 300×150 мм и толщиной 12 мм с прочностью не менее 490 МПа. На стальные стержни из стали Св-08А длиной 450 мм и диаметром 4 мм наносили многослойное покрытие из смеси жидкого стекла с шихтой следующего состава, мас. %: гексафторалюминат натрия 22; фторид иттрия 20; рутиловый концентрат 20; фторид кальция 15; карбонат кальция 10; порошок никеля 3; порошок марганца 3; ферросиликоцирконий 4; порошок алюминия 3. Затем электрод с покрытием подвергали сушке при температуре 120°С в течение 4 ч, затем прокалке при температуре 380°С в течение 2 ч, после чего наносили водонепроницаемое лаковое покрытие. Диаметр готового электрода с покрытиями составлял 7 мм.

Полученные электроды использовали при ручной дуговой сварке с применением инверторного источника питания Сварог-500 в камере «Сварщик-водолаз» КСМ-018 на глубине 2 метра. Стыковое соединение пластин имело конструкцию сварного соединения С19 по ГОСТ 5264-80. Заполнение разделки шва осуществляли за 4 прохода при напряжении дуги 28 В в вертикальном положении. Механические испытания по ГОСТ 6996-66 показали, что прочность сварных соединений составила 530-566 МПа, ударная вязкость сварных швов составила KCV₊₂₀=50-60 Дж/см².

Таким образом, предлагаемый покрытый электрод обеспечивает технический эффект, который выражается в увеличении прочности и ударной вязкости сварных швов при подводной мокрой сварке, может быть изготовлен и применен с использованием известных в технике средств, следовательно, он обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано при ручной подводной мокрой сварке и наплавке металлических конструкций из углеродистых и низколегированных сталей. Покрытый электрод состоит из стального стержня и покрытия, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас.%: комплексный фторид щелочного металла 20-38, фторид редкоземельного металла 18-35, рутиловый концентрат 18-24, фторид щелочноземельного металла 12-18, карбонат щелочноземельного металла 7-12, порошок никеля 2,5-5, порошок марганца 2,5-5,5, ферросиликоцирконий 3-7, порошок алюминия 2-3,5. Покрытый электрод позволяет повысить прочность и ударную вязкость сварного шва при подводной мокрой сварке металлических конструкций из углеродистых и низколегированных сталей за счет улучшения защиты сварочной ванны от окисления и образования шлаковых включений в сварном шве, а также модификации микроструктуры наплавленного металла при легировании редкоземельными металлами. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Покрытый электрод для подводной мокрой сварки углеродистых и низколегированных сталей, состоящий из стального стержня и покрытия, содержащего рутиловый концентрат, карбонат щелочноземельного металла, порошок никеля и группу раскисляющих компонентов из марганца, ферросиликоциркония и алюминия, отличающийся тем, что покрытие дополнительно содержит смесь шлакообразующих компонентов, состоящую из комплексного фторида щелочного металла, фторида щелочноземельного металла и фторида редкоземельного металла, при следующем содержании компонентов, мас.%:

комплексный фторид щелочного металла 20-38 фторид редкоземельного металла 18-35 рутиловый концентрат 18-24 фторид щелочноземельного металла 12-18 карбонат щелочноземельного металла 7-12 порошок никеля 2,5-5 порошок марганца 2,5-5,5 ферросиликоцирконий 3-7 порошок алюминия 2-3,5

2. Покрытый электрод по п.1, отличающийся тем, что комплексный фторид щелочного металла выбран из группы: гексафторалюминат, гексафтортитанат, гексафторсиликат, гексафторцирконат щелочного металла.

3. Покрытый электрод по п.1, отличающийся тем, что фторид редкоземельного металла выбран из группы: фторид лантана, фторид церия, фторид иттрия, фторид неодима, фторид тория.

4. Покрытый электрод по п.1, отличающийся тем, что фторид щелочноземельного металла выбран из группы: фторид кальция, фторид магния, фторид стронция, фторид бария.

5. Покрытый электрод по п.1, отличающийся тем, что карбонат щелочноземельного металла выбран из группы: карбонат кальция, карбонат магния, карбонат стронция, карбонат бария.