Результат интеллектуальной деятельности: АГЛОМЕРИРОВАННЫЙ ФЛЮС МАРКИ 48АФ-55

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к агломерированным флюсам, и может быть использовано для автоматической сварки низколегированных хладостойких сталей нормальной, повышенной и высокой прочности на стандартных режимах, а также форсированных режимах и высоких скоростях сварки низколегированными проволоками в различных отраслях промышленности, например в трубной, судостроительной и нефтехимической промышленности.

Производство стальных конструкций связано с большими объемами сварки, в том числе, автоматической под флюсом, выполняемой обычно на скоростях не более 30-40 м/ч. При этом даже при малых значениях сварочного тока погонная энергия сварки составляет не менее 1,5-2,0 кДж/мм (чаще 2-3 кДж/мм), что не позволяет использовать автоматическую сварку под флюсом для выполнения протяженных сварных швов в конструкциях из тонколистовой стали из-за большого объема наплавленного металла и недопустимого уровня сварочных деформаций. Для изготовления таких конструкций обычно применяется ручная дуговая сварка, которая по производительности существенно уступает автоматической сварке под флюсом.

Ограничение скорости сварки обусловлено особенностями формирования сварного шва (формы провара). При увеличении скорости сварки выше 50 м/ч происходит нарушение формирования шва из-за недостаточной его ширины и чрезмерной глубины проплавления. При увеличении скорости сварки дуга отклоняется в сторону, противоположную направлению сварки, причем тем больше, чем выше маршевая скорость сварочного автомата (трактора). Это приводит к уменьшению ширины шва и соответственно к снижению коэффициента формы усиления, который равен отношению ширины усиления к его высоте; шов становится узким, высоким, с подрезами. При отклонении дуги ухудшается стабильность ее горения, и образуются «пережимы» шва, а в связи с высокими скоростями кристаллизации металла сварочной ванны затрудняется его дегазация, что приводит к образованию пор в металле шва.

Для качественного формирования сварного шва, интенсивного удаления газовых и шлаковых включений из жидкой сварочной ванны температура затвердевания шлака должна быть ниже температуры кристаллизации металла, что особенно важно при сварке на высоких скоростях, когда сокращается время пребывания металла в жидком состоянии. Дефицит тепла при большой скорости сварки требует пониженной температуры плавления флюса и низкой вязкости его в расплавленном состоянии.

Благоприятное формирование шва при высоких скоростях сварки достигается при применении многоэлектродной сварки (более 1 электрода) и использовании специально разработанного флюса для высокоскоростной сварки, то есть для сварки на скорости не ниже 1,5 м/мин (90 м/ч) с силой тока на верхнем пределе и с согласованным напряжением дуги, при условии качественного формирования сварного шва.

Известен плавленый флюс марки АН-60 /1/, полученный на основе шлаковой системы MnO-SiO₂ и имеющий температуру плавления 1250°С, для высокоскоростной автоматической сварки низколегированных сталей.

Со временем указанный флюс перестал удовлетворять возрастающие требования по хладостойкости металла сварных швов в конструкциях из углеродистых и низколегированных сталей и своим гигиеническим характеристикам. Поэтому был разработан плавленый флюс марки АН-65 /2/ с повышенным содержанием CaF₂ и MgO, содержащий дополнительно ZrO₂ и TiO₂.

Указанный флюс обеспечивал более высокую хладостойкость металла шва по сравнению с флюсом марки АН-60, выполненные под этим флюсом сварные швы имели более благоприятную форму. По показателям гигроскопичности и санитарно-гигиеническим показателям новый флюс также обладал явными преимуществами перед флюсом марки АН-60.

Однако в настоящее время уровень требований по хладостойкости металла сварных швов и санитарно-гигиеническим характеристикам сварочных флюсов в промышленности значительно возрос. Плавленые флюсы в силу своих особенностей уже не обеспечивают этих требований, в связи с чем осуществляется их замена на агломерированные (керамические) флюсы.

Ближайшим по составу и назначению к заявляемому является керамический флюс /3/, принятый за прототип, содержащий плавиковый шпат, электрокорунд, обожженный магнезит, марганец металлический, ферротитан, ферробор и связующую добавку, а также сфеновый концентрат, титаномагнетит и ферросилиций в количестве 0,2-0,5 по отношению к количеству марганца металлического, а в качестве связующей добавки - силикат натрия-калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом отношение суммарного содержания магнезита, плавикового шпата и одной трети сфенового концентрата к двум третям силиката натрия и одной второй электрокорунда выбрано в пределах 1,7-2,3, а отношение ферротитана к ферробору - в пределах 6,0-15,0.

Данный керамический (агломерированный) флюс-прототип для сварки низколегированных сталей по сравнению с предыдущими аналогами обеспечивает как высокую хладостойкость сварного шва за счет высокоосновного характера шлакообразующей флюса и за счет наличия в нем сфенового концентрата и титаномагнетита, так и требуемые сварочно-технологические свойства. Недостатком данного флюса-прототипа при сварке на высоких скоростях и форсированных режимах является сравнительно высокая вязкость шлака из-за повышенного содержания во флюсе основных окислов относительно кислых, а также из-за относительно низкой термодинамической устойчивости сфенового концентрата, что приводит к ухудшению сварочно-технологических свойств флюса и невозможности получения требуемой формы сварного шва и его сопряжения с основным металлом, что также сужает технологические возможности флюса.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание агломерированного флюса, обладающего значительно улучшенными сварочно-технологическими свойствами, путем снижения вязкости шлака и широкими технологическими возможностями за счет обеспечения возможности и получения требуемой формы сварного шва при сварке на высоких скоростях и форсированных режимах при сохранении высокой хладостойкости сварного соединения при температурах до -60°С.

Технический результат достигается тем, что в известный агломерированный флюс для автоматической сварки низколегированных хладостойких сталей, содержащий электрокорунд, обожженный магнезит, марганец металлический, ферротитан и ферробор, и в качестве связующей добавки силикат натрия-калия, дополнительно введены рутиловый и железорудный концентраты, алюминий металлический и модификатор, полученный плавлением фторида кальция и оксидов кальция, алюминия, марганца и кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом отношение ферротитана к ферробору должно находиться к пределах 4-10. суммарное содержание марганца и алюминия металлических должно составлять не менее 2.8 мас.%, а соотношение входящих в состав модификатора компонентов после плавления составляет: CaO, Al₂O₃, CaF₂, MnO и SiO₂ = 1,0:1,5:1,5:1,0:2,0. Указанные пределы изменения содержания силиката натрия-калия во флюсе определены с учетом наилучшей грануляции флюса при его изготовлении, т.е. диаметра гранул 0.3-2.0 мм.

Уменьшение содержания электрокорунда ниже указанного нижнего предела приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств, а увеличение его содержания выше указанного предела - к ухудшению формирования металла шва и отделимости шлаковой корки.

Уменьшение содержания обожженного магнезита во флюсе менее указанного нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости и металла шва в области отрицательных температур, а повышение содержания этого компонента выше указанного верхнего предела - к снижению сварочно-технологических характеристик.

Уменьшение содержания микролегирующих добавок ферробора и ферротитана, а также их соотношения менее указанных нижних пределов соответственно приведет к снижению ударной вязкости в области отрицательных температур.

Превышение содержания ферробора и ферротитана, а также их соотношения выше указанных верхних пределов соответственно приведет к значительному росту прочности шва, но снижению его вязкопластичных свойств.

Увеличение содержания металлического марганца выше указанного верхнего предела приведет к увеличению прочности и потере пластичности металла шва, а уменьшение - к ухудшению механических свойств металла шва.

Введение в состав флюса природного минерала железорудного концентрата в указанных количествах позволяет связывать неметаллические включения и выводить их в шлак, при этом контролируя их размер, что приведет к очищению металла шва.

Снижение содержания железорудного концентрата менее указанного нижнего предела приведет к увеличению неметаллических включений в металле шва, а повышение его количества выше верхнего предела - к сложности получения требуемой формы сварного шва и ухудшению сварочно-технологических свойств.

Введение в состав флюса модификатора в указанных количествах позволяет улучшить сварочно-технологические свойства при сварке за счет низкого содержания гидратов во флюсе по сравнению с флюсом-прототипом, а также повысить хладостойкость металла шва за счет низкого содержания в модификаторе вредных примесей (серы, фосфора).

Снижение количества данного компонента менее указанного нижнего предела приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств, а повышение его количества выше верхнего предела - к повышению содержания вредных примесей в металле шва.

Введение в состав флюса рутилового концентрата в указанных количествах позволяет улучшить сварочно-технологические свойства при сварке за счет снижения основности флюса и небольшого содержания TiO₂ в шлаке.

Снижение количества данного компонента менее указанного нижнего предела приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств, а повышение его количества выше верхнего предела - к снижению хладостойкости металла шва.

Введение в состав флюса алюминия металлического в указанных количествах, а также указанный предел соотношения суммарного содержания вышеперечисленных металлических компонентов во флюсе позволяют регулировать содержание кислорода в металле шва, что улучшает вязкопластичные свойства металла шва при обеспечении требуемой хладостойкости металла шва при отрицательных температурах до -60°С.

Уменьшение соотношения суммарного содержания указанных компонентов во флюсе ниже нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости в области отрицательных температур, а увеличение более верхнего предела - к снижению сварочно-технологических свойств флюса.

Предлагаемый агломерированный флюс для автоматической сварки изготавливают по следующей технологии.

Подготовленные компоненты шихты (просушенные и размолотые до размера гранул 0,2-0,3 мм) взвешиваются дозами на один замес, помещаются в кюбель и транспортируются к смесителю. Смешивание компонентов производится в два этапа: «сухое» и «мокрое» (с жидким раствором силиката натрия-калия). После смешивания влажный флюс поступает на доокатыватель для уплотнения гранул и придания им нужного размера и формы, далее флюс подается в сушильную печь, а затем в прокалочную печь. После охлаждения флюс просеивается, взвешивается и упаковывается.

Было изготовлено три варианта составов, близких к составу предлагаемого агломерированного флюса, условно обозначенных I, II, III и приведенных в таблице 1. Там же приведен состав агломерированного флюса-прототипа, использованного для сравнения, условно обозначенный IV.

Для сварки с этими флюсами использовали образцы из стали СтЗ размером 200×500×20 мм.

Сварку образцов стыковых соединений осуществляли автоматическим способом одной дугой проволокой Св-10ГНА диаметром 4 мм на постоянном токе обратной полярности.

Режим сварки стыковых (⊘ проволоки - 4 мм) в нижнем положении:

Ток (А) ... 500-550; Напряжение (В) ... 30-34; Скорость сварки (м/ч) ... 22-24.

В таблице 2 приведены химические составы металла швов, сваренных с использованием приведенных в таблице 1 вариантов составов, а в таблице 3 - механические свойства металла швов и оценка технологических свойств указанных вариантов агломерированного флюса.

Таблица 3 Варианты агломерированного флюса σв, МПа σ0,2, МПа δ5, % ψ, % Работа удара, KV, Дж при температуре -20°С -40°С -60°С 1 2 3 4 5 6 7 8 I II III IV Продолжение таблицы 3 Форма усиления Наличие пригара Наличие побитости шва Отделение шлаковой корки 9 10 11 12 Плавное сопряжение с основным металлом По краю шва Отсутствует Самостоятельное Плавное сопряжение с основным металлом Отсутствует Отсутствует Самостоятельное Плавное сопряжение с основным металлом Отсутствует Отсутствует Самостоятельное Плавное сопряжение с основным металлом Отсутствует Присутствует местами Самостоятельное

Оптимальные пределы содержания компонентов агломерированного флюса заявленного состава, а также их соотношения определяли по результатам испытаний ударной работы разрушения металла сварных швов образцов при -40°С и -60°С и по определению химического состава наплавленного металла.

Как следует из таблицы 3, сварные швы, полученные при использовании агломерированного флюса, изготовленного согласно предлагаемому изобретению, обеспечивают работу удара металла шва не менее 47 Дж при температуре испытания -60°С и не менее 60 Дж при температуре -40°С, как у прототипа, а также имеют хорошие сварочно-технологические свойства - легкую (самопроизвольную) отделимость шлаковой корки и хорошее формирование шва при сварке.

Из таблицы 3 также ясно, что сварные швы, полученные с использованием предлагаемого флюса, имеют следующие показатели формы шва: сформированная поверхность сварного шва имеет благоприятную форму, формирование шва идет с плавным переходом от металла шва к основному металлу за счет лучшей смачиваемости металла шва шлаком, подрезы и поры отсутствуют.

Исходя из результатов испытаний по определению работы удара разрушения металла шва при -40 и -60°С, из визуальных наблюдений наплавленного металла шва стыковых соединений и плавности перехода к основному металлу, а также на основании микроструктурного исследования металла шва был определен оптимальный состав предлагаемого флюса, которым является состав II, содержание компонентов рудоминеральной и легирующей частей которого указано в таблице 1.

Агломерированный флюс выбранного состава, а также флюс-прототип, были испытаны при многодуговой автоматической сварке низколегированной проволокой штатных трубных конструкций на скоростях (80-130) м/ч с питанием первой дуги от источника постоянного тока, а последующих дуг - от источника переменного тока. При этом наблюдался более стабильный процесс сварки под предлагаемым флюсом. Были отмечены лучшие сварочно-технологические свойства предлагаемого флюса по сравнению с флюсом-прототипом. В результате последующих исследований было установлено, что разработанный флюс обеспечивает более высокую хладостойкость металла шва при температурах до -60°С (табл.4) и обеспечивает лучшее формирование шва (более благоприятные соотношения ширины и глубины и ширины и высоты шва) (табл.5) по сравнению с флюсом-прототипом.

Таблица 4 Флюс Работа удара KV, Дж при температуре -40°С -60°С Флюс-прототип - Предлагаемый флюс Требования ТУ min 44, среднее значение 63

Таким образом, предлагаемый агломерированный флюс для автоматической сварки низколегированных хладостойких сталей нормальной, повышенной и высокой прочности позволяет обеспечить благоприятное формирование металла шва при сварке на обычных режимах при однодуговом процессе сварки, а также форсированных режимах и высоких скоростях сварки при многодуговом процессе сварки низколегированными проволоками, что при сохранении высокой хладостойкости сварного соединения при температурах до -60°С улучшает сварочно-технологические свойства флюса и расширяет его технологические возможности по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. Потапов Н.Н. Низкокремнистый флюс для сварки на повышенной скорости. Организация и механизация сварочного производства, М.: «НИИЭинформтяжмаш», 1976, с.13-18.

2. Бендер B.C. Исследование и разработка плавленого флюса для сварки с повышенной скоростью. Автореферат дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, Киев, АН УССР ИЭС им. Е.О.Патона, 1980.

3. Патент РФ №2228828, 7 В 23 К 35/362, 2004 г., БИ №14 - прототип.