Агломерированный флюс для автоматической сварки коррозионно-стойкой стали
Владельцы патента RU 2359798:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ ") (RU)
Изобретение может быть использовано для автоматической сварки коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками. Флюс содержит, мас.%: электрокорунд 23-29, плавиковый шпат 65-69, фтористый барий 3,0-3,5, порошок алюминиево-магниевый 1,8-2,0, ферротитан 0,5-3,2, силикат натрия-калия 6,1-7,5. Суммарное содержание ферротитана и порошка алюминиево-магниевого должно находиться в интервале 2,5-5,0. Изобретение позволяет улучшить сварочно-технологические свойства агломерированного флюса за счет снижения вязкости шлака и расширить технологические возможности флюса за счет получения благоприятной формы сварного шва, в том числе в части плавности сопряжения шва с основным металлом. Кроме того, металл сварного шва, полученного при использовании флюса, имеет высокую технологическую прочность в части сопротивляемости образованию горячих трещин и высокую работу удара при температуре +20°С. 3 табл.
Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к агломерированным флюсам, и может быть использовано для автоматической сварки коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками в различных отраслях промышленности, например в кораблестроении.
Для сварки высокопрочных корпусных сталей, в том числе и коррозионностойких, широко применялись прежде и применяются в настоящее время плавленые пемзовидные сварочные флюсы, такие как флюс марки 48ОФ-6 или его модификация - флюс марки 48ОФ-6М [1].
Однако в настоящее время уровень требований по технологической прочности металла сварных швов в части их сопротивляемости образованию горячих трещин, внешнему виду, обусловленному качеством формирования, а также экологичности и санитарно-гигиеническим характеристикам сварочных флюсов в промышленности значительно возрос. Плавленые флюсы в силу своих особенностей и способа производства уже не обеспечивают этих требований, в связи с чем осуществляется их замена на агломерированные флюсы.
Ближайшим по составу и назначению к заявляемому является агломерированный флюс [2], 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.%:
| Плавиковый шпат | 22-30 |
| Электрокорунд | 14-25 |
| Обожженный магнезит | 22-31 |
| Сфеновый концентрат | 10-20 |
| Марганец металлический | 1,0-3,0 |
| Ферротитан | 1,2-2,8 |
| Ферробор | 0,1-0,8 |
| Титаномагнетит | 0,4-0,9 |
| Ферросилиций | 0,3-1,0 |
| Силикат натрия-калия | 7,7-8,9, |
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, разработанный для автоматической сварки низколегированных сталей, по сравнению с 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 коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками является сравнительно высокое содержание во флюсе кислых окислов, что приводит к значительному ухудшению сварочно-технологических свойств флюса (появлению пригара на шве, плохой отделимости шлаковой корки) при сварке коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками и невозможности обеспечения требуемого формирования 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 содержания кислых окислов и повышения нейтральных к металлу шва соединений (CaF2), широкими технологическими возможностями за счет обеспечения возможности получения требуемого формирования сварного шва при обеспечении его высокой технологической прочности в части сопротивляемости образованию горячих трещин.
Технический результат достигается тем, что в известный агломерированный флюс для автоматической сварки низколегированных хладостойких сталей, содержащий электрокорунд, плавиковый шпат и ферротитан, и в качестве связующей добавки силикат натрия-калия, дополнительно введены фтористый барий и порошок алюминиево-магниевый, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| электрокорунд | 23-29, |
| плавиковый шпат | 65-69, |
| фтористый барий | 3,0-3,5, |
| порошок алюминиево-магниевый | 1,8-2,0, |
| ферротитан | 0,5-3,2, |
| силикат натрия-калия | 6,1-7,5, |
при этом суммарное содержание ферротитана и порошка алюминиево-магниевого должно находиться в интервале 2,5-5,0.
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.
Введение в состав флюса фтористого бария в указанных количествах позволяет улучшить его сварочно-технологические свойства при сварке за счет снижения металлургической активности флюса при взаимодействии с жидким металлом сварочной ванны, повышения смачиваемости жидкого металла сварочной ванны расплавленным флюсом (шлаком) для улучшения формирования аустенитного сварного шва, а также снизить содержание гидратов во флюсе по сравнению с флюсом-прототипом.
Снижение содержания фтористого бария менее указанного нижнего предела приведет к ухудшению формы сварного шва, а повышение его количества выше верхнего предела - к ухудшению сварочно-технологических свойств (нарушению стабильности горения дуги).
Введение в состав флюса порошка алюминиево-магниевого в указанных количествах позволяет производить оптимальное раскисление металла шва и выводить в шлак неметаллические включения, при этом контролируя их размер, что приведет к очищению металла шва.
Снижение содержания порошка алюминиево-магниевого менее указанного нижнего предела приведет к увеличению неметаллических включений в металле шва, а повышение его количества выше верхнего предела - к появлению пригара на сварном шве, ухудшению отделимости шлаковой корки.
Наличие в составе флюса плавикового шпата и электрокорунда в указанных количествах обеспечивает легкое отделение шлака от поверхности сварного шва и полное покрытие расплавленного металла жидким шлаком, что обеспечивает его полную защиту от окружающего воздуха.
Уменьшение содержания этих компонентов ниже указанных нижних пределов приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств, а увеличение их содержания выше указанных пределов - к ухудшению формирования металла шва и отделимости шлаковой корки.
Наличие в составе флюса микролегирующей добавки ферротитана в указанных количествах обеспечивает необходимую технологическую прочность сварного соединения (отсутствие горячих трещин) за счет оптимальной микроструктуры аустенитного металла шва.
Уменьшение содержания микролегирующей добавки ферротитана приведет к увеличению опасности возникновения горячих трещин из-за образования более грубой микроструктуры металла шва.
Превышение содержания ферротитана приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств флюса при сварке - появлению пригара на шве и ухудшению отделимости шлаковой корки.
Уменьшение суммарного содержания ферротитана и порошка алюминиево-магниевого во флюсе менее указанного нижнего предела и увеличение более указанного верхнего предела приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств флюса (появлению пригара и ухудшению отделимости шлака) и увеличению количества неметаллических включений в металле шва.
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 пять вариантов составов, близких к составу предлагаемого агломерированного флюса, условно обозначенных I, II, III, IV, V и приведенных в таблице 1. Там же приведен состав агломерированного флюса-прототипа, использованного для сравнения, условно обозначенный VI.
Для сварки с этими флюсами использовали образцы из коррозионностойкой стали марки 04Х19Н5Г11М2БФ размером 200×500×20 мм.
Сварку образцов стыковых соединений осуществляли автоматическим способом одной дугой проволокой марки ЭП-868 диаметром 4 мм на постоянном токе обратной полярности.
Режим сварки стыковых соединений (⌀ проволоки 4 мм) в нижнем положении:
Ток (А)…400-450; напряжение (В)…26-30; 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 1 | ||||||
| Ингредиенты и их соотношения | Содержание ингредиентов во флюсе | |||||
| I | II | III | IV | V | VI-прототип | |
| Электрокорунд | 22 | 23 | 27 | 29 | 33 | 20 |
| Плавиковый шпат | 73 | 69 | 67 | 65 | 59 | 27 |
| Ферротитан | 0,1 | 3,2 | 2,0 | 0,5 | 3,5 | 2,4 |
| Фтористый барий | 3,9 | 3,0 | 3,1 | 3,5 | 2,0 | - |
| Порошок алюминиево-магниевый | 1,1 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 2,5 | - |
| Марганец металлический | - | - | - | - | - | 2,0 |
| Обожженный магнезит | - | - | - | - | - | 28 |
| Ферробор | - | - | - | - | - | 0,5 |
| Сфеновый концентрат | - | - | - | - | - | 18,8 |
| Ферросилиций | - | - | - | - | - | 0,7 |
| Титаномагнетит | - | - | - | - | - | 0,6 |
| Силикат натрия-калия (сухой остаток жидкого стекла) | 7,1 | 6,1 | 6,6 | 7,5 | 6,2 | 8,2 |
| Ферротитан+порошок алюминиево-магниевый | 1,2 | 5,0 | 3,9 | 2,5 | 6,0 | - |
| Таблица 2 | |||||||||
| Варианты флюса | Содержание элементов в металле шва, % | ||||||||
| С | Si | Mn | Ni | Cr | Mo | Ti | S | P | |
| I | 0,08 | 0,29 | 1,8 | 23,2 | 17,9 | 4,5 | 0,01 | 0,012 | 0,014 |
| II | 0,08 | 0,32 | 2,8 | 22,5 | 18,2 | 4,8 | 0,06 | 0,009 | 0,012 |
| III | 0,09 | 0,35 | 3,0 | 22,3 | 18,7 | 4,9 | 0,07 | 0,010 | 0,012 |
| IV | 0,09 | 0,37 | 3,2 | 22,2 | 18,9 | 4,5 | 0,05 | 0,010 | 0,011 |
| V | 0,09 | 0,52 | 3,7 | 22,0 | 19,4 | 4,3 | 0,03 | 0,012 | 0,013 |
| VI-прототип | 0,09 | 0,40 | 1,70 | 24,5 | 18,4 | 4,2 | 0,04 | 0,011 | 0,015 |
Оптимальные пределы содержания компонентов агломерированного флюса заявленного состава, а также их соотношения определяли по результатам испытаний сварочно-технологических свойств флюса, механических свойств и работы удара разрушения металла сварных швов образцов при +20°С, а также по определению химического состава наплавленного металла.
| Таблица 3 | |||||
| Варианты агломерированного флюса | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ5, % | ψ, % | Работа удара KV, Дж при температуре+20°С |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| I |
|
|
|
|
|
| II |
|
|
|
|
|
| III |
|
|
|
|
|
| IV |
|
|
|
|
|
| V |
|
|
|
|
|
| VI-прототип |
|
|
|
|
|
Продолжение таблицы 3
| Форма усиления | Наличие пригара | Наличие побитости шва | Отделение шлаковой корки | Наличие горячих трещин (кристаллизационных и подсолидусных) |
| 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
| Плавное сопряжение с основным металлом | По краю шва | Отсутствует | Принудительное | Единичные |
| Плавное сопряжение с основным металлом | Отсутствует | Отсутствует | Самостоятельное | Отсутствуют |
| Плавное сопряжение с основным металлом | Отсутствует | Отсутствует | Самостоятельное | Отсутствуют |
| Плавное сопряжение с основным металлом | Отсутствует | Отсутствует | Самостоятельное | Отсутствуют |
| Плавное сопряжение с основным металлом | Присутствует | Присутствует местами | Неудовлетворительное | Отсутствуют |
| Плавное сопряжение с основным металлом | Присутствует | Присутствует местами | Принудительное | Отсутствуют |
Как следует из таблицы 3, сварные швы, полученные при использовании агломерированного флюса, изготовленного согласно предлагаемому изобретению, имеют хорошие сварочно-технологические свойства - легкую (самопроизвольную) отделимость шлаковой корки, связанную с хорошим формированием шва при сварке, и работу удара металла шва не менее 100 Дж при температуре испытания +20°С.
Из таблицы 3 также ясно, что 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, пригар и трещины отсутствуют.
Исходя из результатов испытаний по определению работы удара разрушения металла шва при +20°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 в интервале составов II-IV, содержание компонентов рудоминеральной и легирующей частей которых указано в таблице 1.
Таким образом, предлагаемый агломерированный флюс для автоматической сварки коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками позволяет обеспечить благоприятное формирование металла шва и его высокую технологическую прочность в части сопротивляемости образованию горячих трещин, что при сохранении высокой работы удара металла шва при температуре+20°С улучшает сварочно-технологические свойства флюса и расширяет его технологические возможности по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1.А.с. №106161 от 22.04.1957 г.
2. Патент РФ №2228828, 7 В23К 35/362, 2004 г., БИ №14 - прототип.
Агломерированный флюс для автоматической сварки коррозионно-стойкой стали, содержащий электрокорунд, плавиковый шпат, ферротитан и в качестве связующей добавки силикат натрия-калия, отличающийся тем, что он содержит дополнительно фтористый барий и порошок алюминиево-магниевый, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| электрокорунд | 23-2 |
| плавиковый шпат | 65-69 |
| фтористый барий | 3,0-3,5 |
| порошок алюминиево-магниевый | 1,8-2,0 |
| ферротитан | 0,5-3,2 |
| силикат натрия-калия | 6,1-7,5 |
при этом суммарное содержание ферротитана и порошка алюминиево-магниевого находится в интервале 2,5-5,0,
