Сварочный электрод Советский патент 1992 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к сварочным материалам, в частности к сварочным электродам для сварки и наплавки изделий большого сечения (до 2 м) из высокопрочных сталей, подвергаемых последующей термической обработке и обеспечивающих получение металла шва (наплавленного металла) с хорошими механическими свойствами, близкими к свойствам высокопрочных сталей типа 35ХНЗМФА.

При создании таких сварочных материалов должны быть обеспечены высокая технологическая прочность металла шва (наплавленного металла) и удовлетворительные сварочно-технологические свойства электродов, позволяющие вести сварку (наплавку) во всех пространственных положениях.

Известен электрод, предназначенный для ручной дуговой сварки низколегированной стали перлитного класса в различных отрасл ях машиностроения и состоящий из стержня из перлитной стали, содержащей кремний, и покрытия, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас.%: Плавиковый шпат20-24

Песок кварцевый4-8

Ферротитан7-11

Рутил .2-6

Ферросилиций3-5

Графит0,5-1,0

Поташ0,5-1,5

Феррованадий0,25-1,00

МраморОстальное

К недостаткам известного электрода относятся низкий уровень прочностных характеристик металла шва после высокотемпературной обработки, низкая трещи- ностойкость и неудовлетворительные сварочно-технологические свойства электрода при сварке, например в потолочном положении, а также склонность к порообразованию.

Известен сварочный электрод, покрытие которого содержит, мас.%: Железо0-35

Кремний1-3

Марганец.4-9

Хром1,5-4,0

Молибден0,8-2,0

Никель3,5-7,0

Медь0-2

Ванадий0-0,1

Титан .0-1,5

Двуокись титана0-10

Силикат натрия или калия5-12

Нерастворимые силикаты, например песок кварцевый, кианит0-12

Компоненты, содержащие калий, например титанат карбонат калия,

полевой шпат0-8

Компоненты, содержащие кальций, например СаСОз, CAF230-60

Органика, например гидроксиэтилцеллюлоза 0-2 Сера0,02

Фосфор0,02

и наносится на стержень из низкоуглеродистой стали.

Указанный электрод обеспечивает предел текучести металла шва в исходном после сварки состоянии 90-105 кг/мм (880-1030 МПа).

Недостатком указанного электрода является малая устойчивость аустенита в металле шва при охлаждении с температур выше Асз из-за отсутствия необходимого

5 (не менее 0,14 мае. %) количества углерода и соотношения между последним и никелем. Кроме того, повышенное содержание в металле шва марганца ( 0,6 мас.%) приводит к снижению пластических характе0 ристик металла шва - ударной вязкости и относительного удлинения. Наличие в составе покрытия сварочного электрода таких гидрофильных компонентов, как титанат калия или полевой шпат, органи5 ка в виде гидроксиэтилцеллюлозы, приводит к повышению содержания влаги в покрытии, что влечет за собой увеличение количества растворенного в металле шва водорода, следствием чего является наличие

0 флокенов, недопустимых с точки зрения длительной прочности дефектов в металле шва. Прототипом является электрод по авт. св. № 603543, наиболее близкий по составу и предназначенный для сварки высокопроч5 ных сталей.

Цель изобретения - повышение трещи- ностойкости наплавленного металла и улучшение сварочно-технологических свойств электрода.

0 Мрамор, введенный в состав электродного покрытия в предложенных пределах, обеспечивает необходимое для защиты расплавленной сварочной ванны от атмосферы воздуха количество газовой смеси С02 + СО,

5 образующейся при диссоциации мрамора. Кроме того, оксид кальция, остающийся как продукт диссоциации мрамора в шлаковой фазе, образует в совокупности с другими шлакообразующими компонентами легко0 отделимую шлаковую корку. Уменьшение содержания мрамора ниже заявляемого предела приводит к ухудшению газовой защиты сварочной ванны и, как следствие, к повышению содержания азота в металле

5 шва, что снижает значение ударной вязкости, Повышение содержания мрамора свыше заявляемого предела ухудшает сварочно-технологические свойства электродов, в частности приводит к образованию

0 таких дефектов сварного шва, как зашлаковки. Введенный в заявляемых пределах плавиковой шпат наряду с мрамором обеспечивает необходимую шлаковую защиту, что способствует удовлетворительному форми5 рованию валика сварного шва во всех пространственных положениях. Снижение содержания плавикового шпата в предложенном покрытии ухудшает формирование валика сварного шва. Превышение этого

уровня приводит к ухудшению сварочнотехнологических свойств электродов при сварке в вертикальном и потолочном положениях вследствие того, что шлак не полностью покрывает наплавленный валик.

Ферротитан и ферросилиций введены в покрытие в качестве раскислителей наплавленного металла. Указанные компоненты снижают содержание кислорода в наплавленном металле, что приводит к повышению ударной вязкости. Снижение количества вводимых раскислителей ниже указанных пределов приводит к повышению содержания растворенного в металле кислорода и, следовательно, к снижению ударной вязкости. Увеличение количества вводимых раскислителей выше указанных пределов приводит к увеличению содержания экзогенных включений на их основе, что снижает механические характеристики металла шва (наплавленного металла).

Рутил введен в состав покрытия в заданных пределах и в заданном соотношении с ферротитаном с целью повышения сварочно-технологических свойств электрода, в частности регулирования жидкотекуче- сти шлака при сварке и формирования валиков наплавленного металла при сварке в разных пространственных положениях. При превышении содержания рутила в электродном покрытии выше заданных пределов или отношения FeTi 1 : 1,75 образующийся шлак вследствие своей жид- котекучести не позволяет вести сварку в потолочном положении или на вертикальной плоскости: в процессе наложения валика шлаковая корка не удерживает расплавленный металл и не происходит удовлетвори- тельного формирования валика, При снижении содержания рутила ниже заявленного предела ( 7 мас.%) или при уменьшении отношения FeTi : TiOa 1 : 1,50 на поверхности наплавляемых валиков образуется так называемая березовая кора - вид поверхности валика, который, как известно, приводит к загрязнению металла шва (наплавленного металла) частицами шлака.

Введение в состав покрытия электрода гранулированных методом распыления ферросилиция и железного порошка преследует две цели: повышение сварочно-технологических свойств электродов и улучшение реологических свойств обмазочной массы покрытия при механизированном способе изготовления сварочных электродов. Применение указанных компонентов в заявленных пределах способствует стабилизации процесса истечения массы при опрессовке за счет их округлой формы, что обеспечивает отсутствие эксцентриситета покрытия относительно стержня и

гладкую поверхность покрытия. С точки зрения повышения сварочно-технологических свойств применение в качестве компонентов гранулированных ферросилиция и железного порошка благоприятно сказывается на стабильности горения дуги, периоде коротких замыканий, повышении коэффициента наплавки. Кроме того, отсутствие эксцентриситета покрытия отно0 сительно стержня способствует облегчению манипуляции электродом при сварке в различных пространственных положениях вследствие отсутствия козырьков.

Железный порошок в заявленных пре5 делах регулирует содержание легирующих элементов в металле шва и способствует повышению по сравнению с прототипом и аналогом коэффициента наплавки,

Никель, введенный в стержень вуказан0 ных пределах, в сочетании с более высоким по сравнению с прототипом и аналогом содержанием хрома обеспечивает глубокую прокаливаемость на бейнит металла при закалке крупногабаритных изделий сечением

5 до 2 м из высокопрочных сталей,

Введение молибдена в стержень электрода в указанных пределах обеспечивает подавление отпускной хрупкости наплавленного металла при сварке (наплавке) из0 делий большого сечения, требующих по существующим технологиям их сварки медленного охлаждения.

Содержание марганца в покрытии электрода в указанных пределах обеспечивает

5 повышение стойкости наплавленного металла к образованию горячих трещин за счет связывания серы в термодинамически устойчивые и тугоплавкие сульфиды марганца, которые частично отшлаковываются в

0 процессе сварки (наплавки) а частично остаются в наплавленном металле в виде компактных включений, что предотвращает протекание ликвационных процессов, являющихся источником образования горячих

5 трещин. Уменьшение количества марганца, вводимого в состав покрытия, приводит к появлению легкоплавких ликвирующих примесей, в частности эвтектики, что приводит к снижению технологической прочности.

0 Увеличение содержания марганца сверх заявленных пределов приводит к снижению пластических характеристик металла шва (наплавленного металла), в частности к снижению относительного удлинения и удар5 ной вязкости,

Увеличение по сравнению с прототипом и аналогом содержания углерода и никеля в наплавленном металле за счет введения графита и никеля в заявляемых пределах е покрытие и за счет обеспечения содержания

углерода и никеля в стержне в заявляемых пределах и соотношении позволяет повысить устойчивость аустенита при охлаждении с температур выше Асз., что приводит к повышению гарантированного предела прочности до 720 МПа и ударной вязкости до S150 МДж/м2 после высокотемпературной обработки. Кроме того, обеспечение указанного содержания в наплавленном металле углерода и никеля способствует повышению трещиностойкости. Склонность к образованию трещин количественно определяли пробой ЦНИИТМАШ. В свою очередь, содержание углерода и никеля в заданных пределах в наплавленном металле может быть обеспечено только при условии соблюдения соотношения между количеством графита в покрытии и углерода в стержне и никеля в покрытии и стержне электрода. Уменьшение содержания графита в покрытии или углерода в стержне и никеля в покрытии или стержне ниже заявленных пределов приводит к уменьшению устойчивости аустенита, что способствует значительному охрупчиванию металла шва (наплавленного металла). Увеличение содержания графита в покрытии или углерода в стержне и никеля в стержне или в покрытии приводит к облегчению диффузии углерода в теле зерна и скоплению образующихся в процессе высокотемпературной обработки карбидов к границам зерен, что повышает склонность к трещинообразованию.

Феррованадий в заданных пределах обуславливает в сочетании с углеродом и никелем стабильность прочностных свойств металла шва, образуя наряду с хромом устойчивые карбиды, что препятствует диффузии углерода к границам зерен при высокотемпературной обработке. Превышение верхнего предела содержания феррованадия приводит к охрупчиванию металла шва. Снижение ниже заданного предела содержания в покрытии электрода феррованадия облегчает процесс диффузии углерода к границам зерен, что снижает прочностные характеристики металла шва.

В табл.1 приведен состав стержней электродов, в табл.2 - состав электродных покрытий, в табл.3 - соотношение между суммарным содержанием графита в покрытии и углерода в стержне и никеля в покрытии и стержне для различных вариантов электродов, в табл.4 - механические свойства металла шва, выполненного различными вариантами электродов. Трещи нестойкость металла шва определялась пробой ЦНИИТМАШ: за критерий трещиностойкости принимали количество валиков сварного шва (шт.), необходимых для образования трещины (см. табл.4).

Химический состав проволоки (табл.1)

А, Б, В соответствует нижнему пределу, среднему значению и верхнему пределу содержания элементов в стержне соответственно, варианты Г и Д - запредельным

составам стержней.

Состав покрытия (табл.2) 1-3 соответствует предельным значениям, 4 и 5 - запредельным составам покрытия при заявляемых соотношениях между ферротитаном и рутилом, а также графитом, в покрытии и углеродом в стержне и никеля в покрытии и стержне, 6 и 7 - составам покрытия с запредельными соотношениями между ферротитаном и рутилом. 8 и 9 - составам

покрытий, позволяющим получить запредельные соотношения между графитом в покрытии и углеродом в стержне и никелем в покрытии и стержне,

В табл.5 представлены сварочно-технологические свойства различных вариантов электродов, которые определяли с помощью экспертных оценок.

Электроды 6 и 7 с покрытием, в котором соотношение между ферротитаном и рутилом находится вне заявленных пределов, обеспечивают удовлетворительную трещи- ностойкость, но не гарантируют сварочно- технологических свойств, особенно при сварке в пространственных положениях.

В вариантах Б8 и Б9 соотношение между суммарным содержанием графита в покрытии и углерода в стержне и никеля в покрытии и стержне взято вне заявленных пределов. Из табл.4 видно, что при таких

составах снижается трещиностойкость по сравнению с заявленным составом. Формула изобретения 1, Сварочный электрод для сварки и наплавки углеродистых низколегированных

высокопрочных сталей, состоящий из малоуглеродистого стального стержня, содержащего железо, углерод, раскислители, и покрытия, содержащего мрамор, плавиковый шпат, рутил, ферротитан, ферросилиций, ферромолибден, феррованадий, марганец, хром, никель, графит, пластификатор, от л ича ю щ и йся тем,что, с целью повышения трещиностойкости наплавленного металла, стержень электрода дополнительно содержит никель и молибден, а покрытие дополнительно содержит железный порошок и в качестве пластификатора- поташ при следующем соотношении компонентов стержня, мас.%:

Углерод

.Раскислители

Никель

Молибден

Железо

следующем соотношении окрытия, мас.%:

Плавиковый шпат

Рутил

Ферротитан

Ферросилиций

Ферромолибден

Феррованадий

Хром

Никель

Марганец

Графит

Железный

0,08-0,12 0,5-1,0 1,0-1,5 0,40-0,55 Остальное компонентов

22-28

7-9

4-6

6-9

0,2-1,0

0,3-0,9

3,5-5,8

2,0-3,8

1,2-2,5

0,4-0,6

порошок10-13

Поташ0,5-1,5

МраморОстальное

при этом отношение суммарного содержания графита в покрытии и углерода в стержне к суммарному содержанию никеля в покрытии и стержне составляет 1 ; (6-8), а коэффициент массы покрытия составляет 40-60%.

2. Электрод по п.1,отличающийся тем, что, с целью повышения сварочно-тех- нологических свойств электрода, ферросилиций и железный порошок введены в покрытие в виде гранулированных материа- лов ферросилиция марки ФС15ГС и железного порошка марок ПЖР и ПЖРВ, а ферротитан и рутил в покрытии взяты в соотношении 1 : (1,5-1,75).

0

Использование: сварка и наплавка изделий большого сечения из высокопрочных сталей, подвергаемых последующей термической обработке и обеспечивающих получение металла шва (наплавленного металла) хорошего качества со свойствами, близкими к свойствам высокопрочных сталей типа 26Х, НЗМФА, 35ХНЗМФА. В стержень электрода, состоящий из малоуглеродистой стали, дополнительно введены никель и молибден, а в качестве раскислителя введены кремний и марганец при следующем соотношении компонентов в стержне, мас.%: углерод 0,08-0,12, марганец и кремний в сумме 0,5-1,0, никель 1,0-1,5. молибден 0,40-0,55, железо остальное. Электродное покрытие имеет следующее соотношение компонентов, мае. %: плавиковый шпат 22-28, рутил 7-9, ферротитан 4-6, ферросилиций 6-9, ферромолибден 0,2-1,0, феррованадий 0,3-0,9, хром 3,5-5,8, никель 2,0-3,8, марганец 1,2-2,5, графит 0,4-0,6, железный порошок 10-13, поташ 0,5-1,5, мрамор остальное. Отношение суммарного содержания графита в покрытии и углерода в стержне к суммарному содержанию никеля в покрытии и стержне составляет 1 :(6-8). Коэффициент массы покрытия 40-60%. Повышение сварочно-технологических свойств электрода достигается за счет введения в покрытие ферросилиция и железного порошка в виде гранулированных ферросплавов марки ФС15ГС и ПЖР, причем ферротитан и рутил в покрытии взяты в соотношении 1 :(1,5-1,75). 1 з.п.ф-лы, 5 табл. § сл $

Т а б л и

1

Таблица 2

Предел прочности, МПа 731

Предел текучести, МПа 615

Относительное удлинение, % 18,1

Ударная вязкость, Дж/м2 168

Трещиностойкость, шт. валиков наплавляемого металла до образования трещин10

778 808 701 885 725 815 765 773

626 632 621 790 694 720 603 654

19,3 19,0 14,2 13,5 16,1 14,8 12,8 13,7 182 178 125 114 145 134 124 175

11

Показатель

В1

Б2 A3 Д4 1 Г5 | 56 Г 57 58 Т Б9

Поведение шлака в нижнем 4,4 Ц,k Ц,3 3,0 3,2 3,1 3,4 4,0 4,0 положении вертикальном

Разбрызгивание

Формирование валика в положении

2,9 3,3 4,0 4,0 3,9 4Д 4,4 3,8 4,2 4,3

4,24,34,3 . 2,93,0

4,4А,44,44,43,63,8

нижнем 4,3-4,54,53,23,83,9 вертикальном А,2it,,03,03,1 3,0 4,2 4,1

Стабильность горения дуги 4,3 .4,24,23,93,94,0 4,1 4,1 4,1

Сумма баллов25,826,426,320,420,520,8-21,5 24,9 24,9

Период коротких замыканий, сЮ91281510 10 910

Коэффициент наплавки, Г/А-ч 13,813,212,513,612,013,1 13,4 13,0 13,3

.

Экспертная оценка, балл, для варианта

3,4 4,0 4,0

3,3 4,0 4,0 3,9 4Д 4,4 3,8 4,2 4,3

3,0 4,2 4,1