Универсальная порошковая проволока для подводной мокрой резки металлических материалов Российский патент 2025 года по МПК B23K35/22 B23K35/368 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической мокрой подводной резке металлических конструкций из различных сталей и цветных металлов непосредственно в пресной и морской воде.

Известна порошковая проволока окислительного типа для мокрой подводной резки (см. Левченко A.M., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для мокрой подводной резки. Патент на изобретение №2722397 от 09.07.2019 г.). Указанная проволока диаметром 2 мм состоит из стальной оболочки и шихты, содержащей, мас. %: карбонат железа 50-70; карбонат щелочного металла 20-30; комплексный фторид щелочного металла 10-20. Указанное изобретение позволяет выполнять подводную мокрую резку углеродистых и низколегированных сталей за счет окисления железа в реакциях с углекислым газом при разложении карбонатов. Однако эффективность этого способа снижается при резке сталей толщиной более 10 мм и сплавов цветных металлов из-за недостаточного образования кислорода в зоне реза.

Известна порошковая проволока для подводной резки (см. Данченко М.Е., Грецкий Ю.Я., Савич И.М., Головко Н.В., Нефедов Ю.Н. Порошковая проволока для подводной резки. Авторское свидетельство на изобретение СССР №1718501 от 23.10.1989 г.). Указанная проволока диаметром 2 мм состоит из стальной оболочки и шихты, содержащей, мас. %: селитра (нитрат натрия) 40-60; гидроксид бария 30-40; железный порошок остальное. Проволока позволяет резать сталь толщиной 20 мм на глубинах до 15 м за счет повышенного выделения кислорода при разложении нитрата натрия и гидроксида бария. Однако гигроскопичность нитрата натрия и гидроксида бария снижает эффективность и качество резки при нахождении проволоки в условиях повышенной влажности. Кроме того, гидроксид бария является ядовитым соединением, что вредит экологии водной среды.

Известна порошковая проволока окислительного типа для мокрой подводной резки (см. Паршин С.Г., Левченко A.M., Ван Пэнфэй, Майстро А.С., Семенча А.В. Порошковая проволока для подводной мокрой резки сталей. Патент РФ на изобретение №2756005 от 25.12.2020 г.), которая принята за прототип. Указанная проволока диаметром 2 мм состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, мас. %: карбонат железа 30-50; карбонат щелочного металла 10-20; комплексный фторид щелочного металла 10-15; нитрат щелочного металла 12-35; металлический порошок 8-15. Введение нитрата щелочного металла совместно с карбонатами позволяет увеличить объем кислорода для окисления железа, что способствует увеличению толщины разрезаемых деталей. Однако гигроскопичность нитрата щелочного металла снижает эффективность и качество резки при нахождении проволоки в условиях повышенной влажности. Кроме того, объем режущего кислорода является недостаточным для эффективной подводной резки сплавов цветных металлов с высокой теплопроводностью.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что порошковую проволоку изготавливают из металлической оболочки, внутри которой размещают порошкообразную шихту, при следующем содержании компонентов, % от общей массы проволоки: перхлорат калия 7,2-9; карбонат железа 3,6-5,4; металлический порошок 1,8-3,6; комплексный фторид щелочного металла 1,8-2,7; металлическая оболочка - остальное.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и качества подводной мокрой дуговой резки сталей и сплавов цветных металлов за счет увеличения объема кислорода и степени ионизации дуги в зоне реза.

В отличие от прототипа, в состав шихты совместно с карбонатом железа, карбонатом щелочного металла, комплексным фторидом щелочного металла и металлическим порошком дополнительно вводят перхлорат калия. Такое сочетание известных и новых признаков позволяет увеличить эффективность при мокрой подводной дуговой резке сталей за счет увеличения объема кислорода в зоне реза. Это становится возможным, поскольку шихта содержит повышенное количество перхлората калия, который при нагреве диссоциирует с образованием большого объема кислорода, что эффективно окисляет железо, медь, титан, алюминий, никель и другие металлы, являющиеся основой сталей и сплавов цветных металлов.

Молекула перхлората калия KClO₄ разлагается с образованием четырех атомов кислорода, в отличие от молекулы нитрата калия KNO₃, которая образует только три атома кислорода. Кроме того, плотность перхлората калия выше и составляет 2,52 г/см³, в отличие от нитрата калия с плотностью 2,11 г/см³. Повышенная плотность перхлората калия и наличие в его составе дополнительного атома кислорода позволяет произвести проволоку с более высоким коэффициентом заполнения шихтой и получить при нагреве шихты более высокий объем режущего кислорода в зоне дуговой резки. Кроме того, перхлорат калия имеет малую гигроскопичность, что позволяет хранить проволоку в условиях повышенной влажности в течение длительного времени. В частности, растворимость перхлората калия в воде при 100°С составляет 18,2 г, а растворимость нитрата калия в воде при 100°С составляет 247 г.

Оптимальное содержание перхлората калия в шихте составляет 7,2-9% от общей массы проволоки. Увеличение содержания перхлората калия более 9% вызывает преждевременное сгорание стальной оболочки проволоки, а снижение ниже 7,2% приводит к уменьшению глубины реза.

Введение в состав шихты карбоната железа при оптимальном содержании 3,6-5,4% от общей массы проволоки способствует улучшению стабильности горения дуги за счет увеличения степени ионизации плазмы и увеличению парциального давления углекислого газа в парогазовом пузыре, что усиливает окисление жидкого железа при нагреве сварочной дугой. При уменьшении содержания карбоната менее 3,6% снижается стабильность горения дуги, а при увеличении содержания более 5,4% снижается эффективность и глубина реза.

Введение в состав шихты карбоната щелочного металла, например Li₂CO_3, при оптимальном содержании 1,8-3,6% от общей массы проволоки способствует улучшению стабильности горения дуги за счет увеличения степени ионизации плазмы и увеличению парциального давления углекислого газа и кислорода в парогазовом пузыре, что усиливает окисление жидкого железа при нагреве сварочной дугой. Аналогичным влиянием обладают карбонаты калия K₂CO₃, натрия Na₂CO₃ и цезия Cs₂CO₃. При уменьшении содержания карбоната щелочного металла менее 1,8% снижается стабильность горения дуги, а при увеличении содержания более 3,6% снижается эффективность и глубина реза в широком диапазоне режимов.

Шихта по предлагаемому изобретению имеет оптимальное содержание комплексного фторида щелочного металла - 1,8-2,7% от общей массы проволоки, например гексафторалюмината натрия Na₃AlF₆, который при сварке разлагается с выделением значительного количества фтора. Насыщение атмосферы дуги фторидами способствует сжатию (контрагированию) дуги, что увеличивает ее проплавляющую способность и концентрацию ввода теплоты при резке. Аналогичное действие оказывает введение в состав шихты гексафторалюмината лития Li₃AlF₆, который при резке диссоциирует на соединения LiF, AlF₃, гексафторалюмината калия K₃AlF₆, который диссоциирует на соединения KF, AlF₃, а также гексафторалюмината цезия Cs₃AlF₆, который диссоциирует на соединения CsF и AlF₃.

При уменьшении содержания комплексного фторида щелочного металла ниже оптимального значения отсутствует контрагирование дуги и разрезание ухудшается. При увеличении содержания комплексного фторида щелочного металла выше оптимального значения снижается стабильность горения сварочной дуги.

В качестве металлического порошка шихта может содержать металл или смесь металлов, выбранных из группы: железо, магний, титан, цирконий, кремний, марганец, алюминий, кальций, барий, стронций. Введение в состав шихты металлического порошка позволяет улучшить стабильность горения дуги и степень ионизации плазмы за счет насыщения плазмы дуги элементами с низкими потенциалами ионизации. Указанные металлы имеют низкие потенциалы ионизации: железо (7,89 эВ), алюминий (5,95 эВ), магний (7,64 эВ), титан (6,82 эВ), цирконий (6,84 эВ), кремний (8,15 эВ), марганец (7,43 эВ), кальций (6,09 эВ), барий (5,19 эВ), стронций (5,97 эВ). Кроме того, введение металлического порошка позволяет увеличить тепловую мощность дуги за счет экзотермических реакций металлического порошка с компонентами шихты.

Оптимальное содержание металлического порошка в шихте составляет 1,8-3,6% от общей массы проволоки. Увеличение содержания металлического порошка более 3,6% приводит к уменьшению глубины реза, а уменьшение содержания металлического порошка менее 1,8% снижает стабильность горения дуги.

Примером применения предлагаемой проволоки является мокрая подводная механизированная дуговая резка пластин из стали 10ХСНД размером 300×200 мм толщиной 16 мм, нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т толщиной 16 мм, листов 300×300 мм из меди марки Ml толщиной 10 мм и алюминиевого сплава АМг5 толщиной 12 мм.

Особо мягкую стальную ленту толщиной 0,3 мм шириной 12 мм из стали 08кп помещали в прокатный стан, в котором формовали стальную оболочку диаметром 4 мм. Одновременно с формовкой внутрь стальной оболочки засыпали тонкоизмельченную шихту следующего состава, % от общей массы проволоки: перхлорат калия KClO₄ - 9; карбонат железа FeCO₃ - 3,6; карбонат щелочного металла - 1,8; комплексный фторид щелочного металла Na₃AlF₆ - 1,8; порошок алюминия - 2,7. Затем проволоку методом последовательного волочения уменьшали до диаметра 2 мм.

Полученную порошковую проволоку использовали при мокрой подводной механизированной резке указанных металлических материалов в вертикальном положении в лабораторном резервуаре на глубине 2 метра с применением источника питания Сварог-500. Скорость подачи проволоки составляла 5,8-7,5 м/мин, напряжение дуги - 36-39 В при силе тока 340-390 А, скорость реза составляла около 0,1-0,25 м/мин. Во всех случаях получили полное разделение образцов с шириной реза 8-14 мм.

Таким образом, предлагаемая порошковая проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении качества и эффективности мокрой подводной резки сталей и сплавов цветных металлов, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической мокрой подводной резке металлических конструкций непосредственно в пресной и морской воде. Порошковая проволока для подводной мокрой резки металлических материалов состоит из стальной оболочки и шихты, при содержании компонентов от общей массы проволоки, мас.%: перхлорат калия 7,2-9, карбонат железа 3,6-5,4, карбонат щелочного металла 1,8-3,6, комплексный фторид щелочного металла 1,8-2,7, порошок металла или смеси металлов, выбранных из группы: железо, алюминий, магний, титан, цирконий, кремний, марганец, кальций, барий и стронций 1,4-2,7, стальная оболочка - остальное. Обеспечивается эффективность и качество подводной резки сталей и сплавов цветных металлов, проявляющиеся в увеличении скорости реза при минимальных затратах энергии. 2 з.п. ф-лы.

1. Порошковая проволока для подводной мокрой резки металлических материалов, состоящая из стальной оболочки и шихты, содержащей карбонат железа, карбонат щелочного металла, комплексный фторид щелочного металла и порошок металла или смеси металлов, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит перхлорат калия при следующем содержании компонентов от общей массы проволоки, мас.%:

перхлорат калия 7,2-9;

карбонат железа 3,6-5,4;

карбонат щелочного металла 1,8-3,6;

комплексный фторид щелочного металла 1,8-2,7;

порошок металла или смеси металлов, выбранных из группы: железо, алюминий, магний, титан, цирконий, кремний, марганец, кальций, барий и стронций 1,4-2,7;

стальная оболочка - остальное.

2. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве карбоната щелочного металла шихта содержит соединение или смесь соединений, выбранных из группы карбонатов натрия, калия, лития и цезия.

3. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве комплексного фторида щелочного металла шихта содержит соединение или смесь соединений, выбранных из группы гексафторалюминатов натрия, калия, лития и цезия.