СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ СВАРНОГО ШВА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при восстановлении деталей машин, изготовленных из высоколегированных сталей сваркой или наплавкой в среде углекислого газа.

Известны способы легирования сварного шва при восстановлении деталей машин с применением различных сварочных технологий, таких как дуговая сварка плавлением, электрошлаковая сварка, газовая сварка, которые позволяют получить в зависимости от используемых материалов (электродов, флюсов, присадочных материалов) сварные швы с различными механическими свойствами. Выбор способа восстановления определяется технологическими (размерами детали, расположением сварного шва в пространстве, материалом детали) и экономическими параметрами. Наиболее технологически простым и экономически эффективным способом восстановления деталей машин является электродуговая сварка плавлением в среде углекислого газа.

Известен способ легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа (Способ дуговой сварки в защитных газах), позволяющий восстанавливать низколегированные детали. [Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / A.M. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под ред. A.M. Дальского. - 5-е изд., исправленное. - М.: Машиностроение, 2004. 512 с, ил. с.234-237].

Способ легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа заключается в подаче в зону сварки электродной проволоки, в создании электрической дуги между проволокой и восстанавливаемой деталью с одновременной подачей углекислого газа в зону сварки. Для сварки используют низколегированную электродную проволоку с низким содержанием легирующих элементов, таких как марганец, кремний, титан и другие: Св-10ХГ2СМ, Св-08ГСМТ.

От действия высоких температур электрической дуги происходит расплавление электродной проволоки и основного металла восстанавливаемой детали. Углекислый газ защищает переплавляемый электродный и основной металл от окружающего воздуха. Расплавленный металл восстанавливаемой детали и проволоки с легирующими элементами образуют сварочную ванну, в которой они перемешиваются и после кристаллизации создают низколегированный сварной шов.

При сварке в углекислом газе протекает реакция диссоциации углекислого газа на оксид углерода и кислород. Кислород способствует окислению легирующих элементов и выводу их в окружающую среду в процессе переноса расплавленного металла с проволоки в сварочную ванну, что снижает количественное содержание в ней легирующих элементов. В процессе кристаллизации образуется низколегированный сварной шов, что обеспечивает прочность восстановленной детали из низколегированной стали.

Использование известного способа легирования сварного шва позволяет осуществлять восстановление деталей из низколегированных сталей с пределом прочности (временным сопротивлением) σ_в=0,35-0,45 ГПа.

Однако использование известного способа ограничено в условиях восстановления деталей из средне- и высоколегированных сталей.

Наиболее близким к заявляемому способу легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа является способ легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа, позволяющий восстанавливать детали из среднелегированной стали [Пат. 2354515 РФ, МПК B23K 9/16, B23K 23/00. Способ легирования сварного шва при дуговой сварке плавлением в среде углекислого газа / Кривочуров Н.Т., Иванайский Е.А., Иванайский В.В., Вольферц Г.А.; патентообладатель. Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный аграрный университет» - №2007127238/02; заявл. 16.07.2007; опубл. 10.05.2009, Бюл. №14].

Способ легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа заключается в нанесении на поверхность восстанавливаемой детали слоя легирующих элементов в виде порошка из легирующих элементов (компонентов), в подаче в зону сварки электродной низколегированной проволоки, в создании электрической дуги между проволокой и восстанавливаемой деталью с одновременной подачей углекислого газа в зону сварки.

Выбирают легирующий порошок, с содержанием основных легирующих элементов в мас.%: хрома 14; кремния 5,2; вольфрама 6,1; кобальта 4,8; остальное - никель.

Легирующий порошок наносят на поверхность восстанавливаемой детали, например, методом напекания с образованием слоя спрессованных отдельных частиц легирующих элементов.

Далее осуществляют дуговую сварку. Для этого в зону сварки подают электродную проволоку, создают электрическую дугу между проволокой и восстанавливаемой деталью с одновременной подачей углекислого газа в зону сварки. Для сварки используют низколегированную электродную проволоку марки Св08ГА с низким содержанием марганца в качестве легирующего элемента.

От действия высоких температур электрической дуги происходит расплавление электродной проволоки, легирующего порошка и основного металла восстанавливаемой детали с образованием на поверхности восстанавливаемой детали в зоне действия электрической дуги сварочной ванны, а также диссоциация углекислого газа на оксид углерода и кислород.

Действие электрической дуги и тепловой конвекции вызывает активное перемешивание металла в сварочной ванне.

Расплавленный металл сварочной ванны нагревает находящиеся рядом с ней частицы порошка слоя легирующих элементов и металл восстанавливаемой детали, находящийся рядом с зоной действия электрической дуги, расплавляет их, расширяя тем самым сварочную ванну. При этом каждая частица порошка слоя легирующих элементов окружена газовой средой, и вся поверхность частицы контактирует с ней. При плавлении частиц порошка в каждой из них происходит разрушение кристаллической решетки. Свободные атомы легирующих элементов, находящиеся на поверхности каждой расплавляемой частицы порошка, вступают во взаимодействие с газовой средой, остальные атомы, расположенные в глубине частицы порошка перемешиваются с расплавленным металлом электродной проволоки и основным металлом восстанавливаемой детали.

В процессе взаимодействия свободных атомов легирующих элементов с газовой средой происходит их окисление кислородом углекислого газа со всей поверхности частицы с образованием оксидов, которые испаряются в окружающую среду. Это приводит к тому, что не все атомы легирующих элементов поступают в металл сварочной ванны. В процессе перемешивания с металлом сварочной ванны оставшиеся атомы легирующих элементов равномерно распределяются в сварочной ванне, доводя низколегированный металл сварочной ванны до средне-легированного металла, который при кристаллизации образует среднелегированный сварной шов.

Для формирования сварного шва по всей поверхности восстанавливаемой детали осуществляют перемещение электрической дуги относительно детали, после чего процесс образования среднелегированного сварного шва повторяется.

После кристаллизации образуется среднелегированный сварной шов с содержанием основных легирующих элементов в мас.%: хром - 2,3; вольфрам - 1,2; кобальт - 0,7. Количественное содержание основных легирующих элементов в сварном шве меньше, чем их количественное содержание в слое порошка из легирующих элементов приваренного к восстанавливаемой детали. Переход легирующих элементов из слоя легирующего порошка в сварной шов составляет 25-35%.

Такое содержание легирующих элементов в сварном шве позволяет получить среднелегированный металл, достаточный по прочности для восстановления деталей из среднелегированной стали. Прочность такого шва с временным сопротивлением σ_в=0,5-0,8 ГПа и твердостью 400 НВ.

Однако прочность металла шва, образованного вышеописанным способом, является недостаточной для восстановления деталей из высоколегированных сталей. Это обусловлено неполным переходом легирующих элементов из порошка в металл сварного шва вследствие окисления части легирующих элементов и их испарения в виде оксидов в окружающую среду в процессе плавления легирующего порошка.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа, повышающего прочность металла высоколегированного сварного шва до значений, необходимых для восстановления деталей из высоколегированных сталей за счет максимально возможного перехода в сварной шов легирующих элементов в процессе плавления благодаря снижению поверхности контакта легирующих элементов с кислородом углекислого газа в сварочной ванне.

Для решения поставленной задачи в способе легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа, заключающемся в нанесении на поверхность восстанавливаемой детали на месте будущего сварного шва слоя легирующих элементов, с последующей подачей в зону сварки электродной низколегированной проволоки, созданием электрической дуги между проволокой и восстанавливаемой деталью при одновременной подаче углекислого газа в зону сварки и образованием сварочной ванны, слой легирующих элементов наносят на поверхность восстанавливаемой детали в виде пленки путем электроискровой обработки поверхности восстанавливаемой детали электродной высоколегированной проволокой.

Заявляемый способ легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа отличается от известного способа-прототипа новым выполнением операции нанесения слоя легирующих элементов на поверхность восстанавливаемой детали, а именно слой легирующих элементов наносят на поверхность восстанавливаемой детали в виде пленки путем электроискровой обработки поверхности электродной высоколегированной проволокой. Наличие существенного отличительного признака свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Нанесение слоя легирующих элементов на поверхность восстанавливаемой детали в виде пленки путем электроискровой обработки поверхности электродной высоколегированной проволокой в совокупности с известными операциями способа приводит к повышению прочности металла сварного шва до значений, необходимых для восстановления деталей из высоколегированных сталей за счет максимально возможного перехода легирующих элементов в процессе плавления в сварной шов путем снижения поверхности контакта легирующих элементов с кислородом углекислого газа в процессе образования сварочной ванны.

Причинно-следственная связь «Нанесение слоя легирующих элементов на поверхность восстанавливаемой детали в виде пленки путем электроискровой обработки поверхности электродной высоколегированной проволокой приводит к максимально возможному переходу в процессе плавления легирующих элементов в сварной шов» в результате поиска в уровне техники не обнаружена, что свидетельствует о новизне данной причинно-следственной связи, и, следовательно, о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Способ осуществляют следующим образом.

Способ легирования сварного шва при дуговой сварке в среде углекислого газа заключается в предварительном нанесении на поверхность восстанавливаемой детали на месте будущего сварного шва слоя легирующих элементов и в формировании высоколегированного сварного шва.

Предварительное нанесение на поверхность восстанавливаемой детали слоя легирующих элементов на месте будущего сварного шва осуществляют путем электроискровой обработки поверхности электродной высоколегированной проволокой в газовой среде. Для образования на поверхности восстанавливаемой детали слоя легирующих элементов используют электродную высоколегированную проволоку, содержащую, например, хром, вольфрам и их карбиды, которую располагают над местом будущего сварного шва. Восстанавливаемую деталь и электродную высоколегированную проволоку подключают к установке электроискровой обработки, в которой восстанавливаемая деталь является катодом, а электродная проволока - анодом. Искровые разряды, создаваемые установкой между катодом и анодом, расплавляют электродную высоколегированную проволоку и переносят расплавленный металл из легирующих элементов на поверхность восстанавливаемой детали.

При кристаллизации расплавленного металла на поверхности восстанавливаемой детали образуется металлическая пленка из легирующих элементов.

Формирование высоколегированного сварного шва производят дуговой сваркой плавящейся электродной низколегированной проволокой, которую подают в зону сварки над металлической пленкой. Между электродной низколегированной проволокой и восстанавливаемой деталью с пленкой создают электрическую дугу. Одновременно в зону сварки подают углекислый газ. Для сварки используют электродную низколегированную проволоку с низким содержанием марганца в качестве легирующего элемента.

От действия высоких температур электрической дуги в зоне действия электрической дуги, происходит одновременное расплавление электродной проволоки, металлической пленки легирующих элементов и основного металла восстанавливаемой детали с образованием на поверхности восстанавливаемой детали сварочной ванны. Кроме того, углекислый газ диссоциируется на оксид углерода и кислород.

Действие электрической дуги и тепловой конвекции вызывает активное перемешивание металла в сварочной ванне.

Расплавленный металл сварочной ванны нагревает соседний участок пленки и металл восстанавливаемой детали, находящийся вне зоны действия электрической дуги, расплавляет их, расширяя тем самым размер сварочной ванны. Газовая среда контактирует с поверхностью металлической пленки из легирующих элементов.

При плавлении металлической пленки происходит разрушение ее кристаллической решетки. Часть свободных атомов легирующих элементов, находящихся на поверхности пленки, вступает во взаимодействие с газовой средой, другая часть свободных атомов легирующих элементов, находящихся в глубине пленки, перемешивается с расплавленным металлом электродной проволоки и основным металлом восстанавливаемой детали.

В процессе взаимодействия свободных атомов легирующих элементов с газовой средой происходит их окисление кислородом углекислого газа с образованием оксидов, которые испаряются в окружающую среду. При этом в процессе окисления участвуют только атомы легирующих элементов, расположенные на поверхности пленки.

В процессе перемешивания с металлом сварочной ванны участвуют атомы легирующих элементов, расположенные в глубине пленки, которые равномерно распределяются в сварочной ванне, доводя низколегированный металл сварочной ванны до высоколегированного металла, который при кристаллизации образует высоколегированный сварной шов.

Для формирования сварного шва по всей оверхности восстанавливаемой детали осуществляют перемещение электрической дуги относительно детали, после чего процесс образования высоколегированного сварного шва повторяется.

Прочность такого шва с временным сопротивлением σ_в=0,9-1,3 ГПа.

В лабораториях ДВГУПС проведены физико-механические испытания образцов сварных швов, полученных заявляемым способом.

Образцы сварных швов для испытаний изготавливают следующим образом.

Берут стальную пластину размерами 100×250 мм и толщиной 10 мм из низкоуглеродистой стали (марки Ст-3). На ее поверхность наносят слой легирующих элементов в виде пленки с помощью электроискровой обработки поверхности в газовой среде электродной высоколегированной проволокой. Для нанесения пленки используют установку «Элитрон-101» и генератор импульсов «Элитрон-350». Обработку проводят вращающимся торцевым электродом при следующих параметрах: сила тока 24 А, частота 100 Гц, время обработки 2 мин на см² поверхности. В качестве высоколегированного электрода используют электроды, выполненные из различных легирующих элементов: хрома, вольфрама и стандартных твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, хрома и никеля

Наплавку сварного шва производят электродуговой сваркой в среде углекислого газа сварочным полуавтоматом ESABMig505/505w, током 180 А при напряжении на дуге 22 В. Расход углекислого газа составляет 1,6×10^-4 м³/с, скорость сварки - 9×10^-3 м/с. Для сварки используют низкоуглеродистую и низколегированную сварочную проволоку Св-08ГА диаметром 1,4 мм.

Поперечные срезы полученных образцов сварных швов подвергались металлографическим исследованиям с использованием микроскопа ЕС МЕТАМ РВ-21 при увеличении до ×1000 и программно-аппаратного комплекса металлографического анализа «СпектрМет-5.6». Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3.

Особенности строения полученных образцов изучались на растровом электронно-зондовом микроскопе JXA-8100(IEOL, Япония) с приставкой электронно-зондового микроанализатора - рентгеновского спектрометра EDS (Великобритания) с волновой дисперсией. Элементный состав изучался с помощью рентгеновского спектрометра «Спектроскан МАКС-GV». Фазовый состав исследовали на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-7». Исследование образцов на износостойкость проводилось по схеме «диск-колодка» на машине для испытания материалов на трение и износ ИИ 5018. Исследование твердости образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю». Испытания на ударную вязкость проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенной температурах». Испытания на прочность при разрыве проводились в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».

Для установления перехода легирующих элементов из легирующего слоя в металл сварного шва проводилось взвешивание образцов до нанесения пленки легирующих элементов, после ее нанесения и после образования сварного шва. Кроме того, определялся вес израсходованной электродной низколегированной проволоки. Для измерения массы использовались электронные весы с погрешностью измерения 0,1 грамма. Переход легирующих элементов из слоя легирующих элементов в сварной шов (в %) определялся по формуле Δ=М₄×100/(М₁+М₂+М₃), где М₁ - масса пластины, М₂ - масса пленки, М₃ - масса сварочной проволоки, израсходованной на создание сварного шва, М₄ - масса пластины со сварным швом.

Пример 1. Сварной шов получают вышеописанным способом. В качестве высоколегированного электрода используют электрод с содержанием хрома 100%. Толщина пленки - 0,8 мм.

Пример 2. Сварной шов получают вышеописанным способом. В качестве высоколегированного электрода используют электрод с содержанием вольфрама 100%. Толщина пленки - 0,8 мм.

Пример 3. Сварной шов получают вышеописанным способом. В качестве высоколегированного электрода используют электрод из твердого сплава Т15К6 с содержанием карбидов титана 15% и карбидов вольфрама 79%. Толщина пленки - 0,9 мм.

Пример 4. Сварной шов получают вышеописанным способом. В качестве высоколегированного электрода используют электрод из твердого сплава ВК-8, с содержанием карбидов вольфрама 92%. Толщина пленки - 1,1 мм.

Пример 5. Сварной шов получают вышеописанным способом. В качестве высоколегированного электрода используют электрод из твердого сплава с содержанием карбидов вольфрама 24%, карбидов хрома 24%, карбидов бора 24%, и карбидов никеля 24%. Толщина пленки - 0,9 мм.

Пример 6. Сварной шов получают вышеописанным способом. В качестве высоколегированного электрода используют электрод из быстрорежущей стали Р18 с содержанием вольфрама 18%. Толщина пленки - 1,0 мм.

Пример 7. Показатели сварного шва, полученного по способу-прототипу, указанные в описании прототипа.

Результаты физико-механических испытаний образцов сварных швов приведены в таблице.

Результаты физико-механических испытаний показывают, что использование заявляемого способа позволяет получить высоколегированный шов, прочностные показатели которого превышают показатели сварного шва по способу-прототипу в 1,2-1,6 раз, что обеспечивает возможность применения заявляемого способа для восстановления высоколегированных деталей.