Состав электродного покрытия
Владельцы патента RU 2381885:
Лозовой Виктор Григорьевич (RU)
Чипинов Анатолий Алексеевич (RU)
Чуларис Александр Александрович (RU)
Дзюба Вячеслав Михайлович (RU)
Дзюба Олег Вячеславович (RU)
Яценко Владимир Петрович (RU)
Изобретение может быть использовано при изготовлении электродов для сварки стыков трубопроводов и соединений металлоконструкций из углеродистых и низколегированных сталей. Покрытие электродов содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: карбонаты щелочно-земельных металлов 39-43, плавиковый шпат 10-29, рутил 1-4,5, ферросиликомарганец 6,6-7,0, ферросилиций 3,0-5,0, алюминий 0,5-1,3, алюмосиликат безводный 11,0-19,0, сода 1,0-1,5, пластификаторы 1,4-2,0, фторопласт 0,5-3,0, шлифовальный порошок нормального электрокорунда 1,0-5,0 и суперпластификатор бетонов с воздухоподавляющим эффектом 0,14-0,18. Состав покрытия основного вида низководородистых электродов обеспечивает содержание диффузионного водорода в наплавленном металле менее 5 мл/100 г и механические свойства по типу Э50А согласно ГОСТ 9467-75. 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к материалам для дуговой сварки и может быть использовано как покрытие основного вида низководородистых электродов группы Н5 по международной классификации, содержащих в наплавленном металле диффузионного водорода менее 5 мл/100 г по пробе ISO/FDIS 3690 (Е), для сварки во всех пространственных положениях соединений труб и металлоконструкций.
Известны электродные покрытия, содержащие карбонаты щелочно-земельных металлов, плавиковый шпат, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, кварцевый песок, алюмосиликаты, легирующие и пластификаторы [Давыденко В.Д. Справочник по сварочным электродам. Ростов-на-Дону: Ростовское книжное издательство, 1961; Бондин И.П. Справочник сварщика. М.-Л.: «Машиностроение», 1965], например, УОНИ-13/55 состава, % [И.А.Закс. Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов. Справочник-пособие. СПб: WELKOME, 1996]:
мрамор | 54 |
плавиковый шпат | 15 |
кварцевый песок | 9 |
ферромарганец | 5 |
ферротитан | 12 |
ферросилиций | 5 |
Эти электроды, обеспечивая механические свойства наплавленного металла по типу Э50А согласно ГОСТ 9467-75 и сварочно-технологические свойства для качественного выполнения швов соединений металлоконструкций, обладают и некоторыми основными недостатками:
- как и другие известные с таким видом покрытия, не обеспечивают содержания диффузионного водорода в наплавленном металле меньшего 10-11 мл/100 г по пробе ISO 3690, что повышает вероятность образования трещин в соединениях низколегированных сталей и относит эти электроды к группе 15Н по международной классификации, ограничивая область их применения;
- обмазочные свойства этого покрытия не обеспечивают промышленного изготовления электродов с разнотолщинностью покрытия (е) и его постоянством по длине электрода (Δе), предъявляемые к электродам для сварки труб (е<0,08-0,10 мм, Δе<0,03 мм);
- не обеспечивают качественного выполнения швов соединений неповоротных стыков труб из-за неудовлетворительного формирования обратного валика корневых швов и высокой вероятности образования в них пористости.
Известны также электроды ЛБ-52 TRU с покрытием, наиболее близким к предлагаемому, содержащим следующие компоненты, вес.% [патент РФ №2220833, ТУ 1272-018-01621014-2002]:
карбонаты щелочно-земельных металлов | 44-46 |
плавиковый шпат | 9-11 |
ферросиликомарганец | 6-8 |
ферросилиций | 6-7 |
алюминий | 0,5-1,5 |
алюмосилиций безводный | 19-23 |
рутиловый концентрат | 2-5 |
железный порошок | 3-6 |
поташ или сода | 0,5-1,0 |
пластификаторы | 1,5-2,0 |
Электроды с таким покрытием обеспечивают качественное выполнение соединений швов неповоротных стыков труб и пониженное до 8-9 мл/100 г содержание диффузионного водорода в наплавленном металле, что относит их уже к группе Н10 по международной классификации, расширяя область применения.
Однако, обмазочные свойства этого покрытия не обеспечивают промышленного изготовления электродов с его разнотолщинностью и постоянством по длине электрода, требуемых для сварки труб, а содержание диффузионного водорода в наплавленном металле превышает 5 мл/100 г и не позволяет отнести их к группе H5 по международной классификации.
Целью настоящего изобретения является снижение содержания диффузионного водорода в наплавленном металле до значений меньше, 5 мл/100 г по пробе ISO 3690 и улучшение опрессовочных свойств покрытия для обеспечения возможности промышленного изготовления электродов с разнотолщинностью покрытия, необходимой для качественной сварки не только металлоконструкций, но и трубопроводов.
Поставленная цель в части снижения содержания [Н] диф. в наплавленном металле достигается введением в состав покрытия фторопласта и шлифовального порошка нормального электрокорунда, а для улучшения опрессовочных свойств - суперпластификатора бетонов при следующих соотношениях, мас.%:
карбонаты щелочно-земельных металлов | 39-43 |
плавиковый шпат | 10-29 |
рутил | 1-4,5 |
ферросиликомарганец | 6,5-7,0 |
ферросилиций | 3,0-5,0 |
алюмосиликат безводный | 11,0-19,0 |
сода | 1,0-1,5 |
алюминий | 0,5-1,3 |
фторопласт | 0,5-3,0 |
шлифовальный порошок нормального электрокорунда | 1,0-5,0 |
пластификаторы | 1,4-2,0 |
суперпластификатор бетонов | 0,14-0,18 |
Для проведения контрольных испытаний были изготовлены электроды диаметром 4,0 мм с составами покрытий, представленных в табл.1. Количество жидкого стекла для всех вариантов было одинаково - 25…27% от веса сухой шихты. Модуль стекла 2,8-3,0, плотность - 1,41-1,42 г/см3, вязкость - 500…700 сП.
Таблица 1 | |||||
№ пп | Наименование компонента покрытия | Состав сухой шихты покрытия, % | |||
Известный состав ЛБ-52 TRU, патент РФ №222083 | Заявляемое решение | ||||
Варианты | |||||
1 | 2 | 3 | |||
1 | Карбонаты щелочно-земельных металлов | 44,0 | 43,0 | 38,83 | 39,83 |
2 | Плавиковый шпат | 11,0 | 10,0 | 27,0 | 29,0 |
3 | Алюмосиликат безводный | 19,0 | 20,36 | 11,0 | 13,0 |
4 | Ферросиликомарганец | 8,0 | 6,7 | 6,5 | 7,0 |
5 | Ферросилиций | 7,0 | 5,0 | 4,0 | 3,0 |
6 | Алюминий | 1,0 | 1,3 | 0,5 | 0,7 |
7 | Рутил | 5,0 | 4,5 | 2,0 | 1,0 |
8 | Железный порошок | 3,0 | - | - | - |
9 | Сода | 1,0 | 1,5 | 1,0 | 1,4 |
10 | Пластификаторы | 1,5 | 2,0 | 1,5 | 1,4 |
11 | Фторопласт | - | 0,5 | 3,0 | 2,5 |
12 | Шлифовальный порошок нормального электрокорунда | 5,0 | 4,5 | 1,0 | |
13 | Суперпластификатор бетона | - | 0,14 | 0,17 | 0,17 |
В качестве алюмосиликата безводного использовали череп утильный фарфоровый состава: SiO2 - 67…72, Al2O3 - 23…28, TiO2 - 0,21…0,75, CaO - 0,53…0,75, MgO - 0,21…0,86; K2O - 1,96…2,9, Na2O - 0,64…2,0.
В качестве фторопласта использовался материал «ФТОРОПЛАСТ-4» марки «ПН» по ГОСТ 10007-80.
В качестве шлифовального порошка нормального электрокорунда использовался порошок № 8Н марки 14А по ГОСТ 28818-90.
Пластификаторами служила целлюлоза электродная.
В качестве суперпластификатора бетонов использовался пластификатор с воздухоподавляющим эффектом по ТУ 5870-004-58042865-04.
Покрытие наносилось на металлические стержни диаметром 4,0 мм способом опрессовки по технологии, разработанной на базе типового технологического процесса по ОСТ 5.9786-76 применительно к условиям и промышленному оборудованию предприятия-изготовителя электродов.
Для изготовления стержней использовались проволока 08А по ГОСТ 2246-70.
В процессе изготовления установили, что по технологичности опрессовки предлагаемые электроды превосходят прототип, имеют более гладкую поверхность, чему способствовал введенный мелкодисперсионный порошок фторопласта, у них также отмечалась меньшая склонность к прилипанию на рамках при провеливании электродов, чему способствовал введенный суперпластификатор бетона.
Замеры разнотолщинности покрытия (е) электродов по ГОСТ 9466-75 и оценка ее постоянства по длине электродов (Δе) по значениям в начале, середине и конце электрода [Ворновицкий И.Н. Управление качеством сварочных электродов. М.: Издательство ИКАР, 2001] при объеме выборки 70 электродов показали, что они соответственно лежали в пределах:
- для электрода-прототипа - 0,02…0,15 и 0,02…0,05;
- для электродов с предлагаемым покрытием - 0,02-0,10 и 0,01…0,03, т.е. отвечают требованиям, предъявляемым к трубным электродам.
Такие результаты замеров указывают, прежде всего, на большую однородность смеси мокрого замеса предлагаемого покрытия и возможность серийного производства электродов с качеством опрессовки, необходимым для сварки трубопроводов.
В табл.2 приведены данные механических испытаний и испытаний на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле по пробе ISO/FDIS 3690:1999 (Е), требуемой для международной аттестации электродов по группе Н5.
Данные испытаний электродов
Таблица 2 | |||||||
Вариант электродов по табл.1 | Механические свойства швах) | Содержание в наплавленном металле | |||||
Предел прочности, G6, МПа | Относит. удлинение, G5, % | Уд. вязкость, Дж/см2 | S | P | [Н] диф., мл/100 гхх) по ISO 3690 | ||
KCV +20°C | KCV -30°C | % | |||||
Прототип | 0,023 | 0,024 | |||||
1 | Не опр. | 0,017 | 0,029 | ||||
2 | Не опр. | 0,019 | 0,027 | ||||
3 | Не опр. | 0,016 | 0,025 | ||||
x) - Основной металл - ст.3 по ГОСТ 380-94 | |||||||
хх) - Выполнены в ИЭС им. Е.О.Патина |
Как указывают результаты испытаний, обеспечивая, как и прототип, механические свойства металла шва по типу Э50А согласно ГОСТ 9467-75, электроды с предлагаемым покрытием гарантируют снижение содержания [Н] диф. в наплавленном металле более чем вдвое, ограничив его пределом, меньшим 5 мл/100 г по пробе ISO 3690. Это относит их к группе Н5 по международной классификации.
Таким образом, заявляемый состав покрытия решает обе задачи поставленной цели изобретения.
Варьирование составом предлагаемого покрытия при его разработке показало, что только при выдерживании содержаний компонентов в заявляемых пределах обеспечиваются требуемые результаты. При этом отмечено более чем двукратное снижение содержания [Н] диф. в наплавленном металле по сравнению с прототипом, что можно объяснить именно действием введенных в покрытие новых компонентов: фторопласта и шлифовального порошка нормального электрокорунда, поскольку повышение только количества уже имеющегося в покрытии-прототипе плавикового шпата до значений 29% такого эффекта не обеспечивало. Дальнейшее же повышение содержания CaF2 в покрытии приводило к недопустимому ухудшению сварочно-технологических свойств электродов. К ухудшению свойств электродов приводило и изменение содержания остальных компонентов предлагаемого покрытия, не решая задач дальнейшего снижения содержания [Н] диф. в наплавленном металле и улучшения опрессовочных свойств покрытия.
Таким образом, изменение пределов содержания любого из компонентов заявляемого покрытия приводит к потере свойств, определяемых целью изобретения. Следовательно, только заявляемая совокупность компонентов покрытия обладает существенными отличиями и обеспечивает достижение поставленной изобретением цели.
Опытные партии электродов с разработанным покрытием, изготовленные на промышленном оборудовании линии для серийного производства предприятия НПЦ «Сварочные материалы» (г.Краснодар), испытаны в УМС ОАО «Краснодар-газстрой» и показали свою пригодность по концентричности покрытия и сварочно-технологическим свойствам для сварки магистральных трубопроводов и металлоконструкций, результаты механических испытаний - их соответствие типу Э50А по ГОСТ 9466-75.
Техническими преимуществами электродов с разработанным покрытием в сравнении с прототипом являются более низкое содержание [Н] диф. в наплавленном ими металле, являющегося основной причиной трещинообразования в сварных соединениях, в первую очередь, перспективных низколегированных сталей, относящее их к группе Н5 по международной классификации, и возможность их промышленного выпуска с разнотолщинностью покрытия, требуемой для качественной сварки не только металлоконструкций, но и трубопроводов.
Экономическим преимуществом электродов с разработанным покрытием является возможность использования в качестве одного из основных (по объему) компонентов не только природных безводных алюмосиликатов, но и части отходов фарфоровой промышленности (череп утильный фарфоровый), возможные объемы реализации которого вполне могут обеспечить фарфоро-фаянсовые предприятия страны.
Состав электродного покрытия для сварки стыков трубопроводов и соединений металлоконструкций из углеродистых и низколегированных сталей, содержащий карбонаты щелочно-земельных металлов, плавиковый шпат, рутил, ферросиликомарганец, ферросилиций, алюминий, алюмосиликаты безводные, соду и пластификаторы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фторопласт, шлифовальный порошок нормального электрокорунда и суперпластификатор бетонов с воздухоподавляющим эффектом при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
карбонаты щелочно-земельных металлов | 39-43 |
плавиковый шпат | 10-29 |
рутил | 1-4,5 |
ферросиликомарганец | 6,6-7,0 |
ферросилиций | 3,0-5,0 |
алюмосиликат безводный | 11,0-19,0 |
сода | 1,0-1,5 |
алюминий | 0,5-1,3 |
фторопласт | 0,5-3,0 |
шлифовальный порошок нормального электрокорунда | 1,0-5,0 |
пластификаторы | 1,4-2,0 |
суперпластификатор бетонов | |
с воздухоподавляющим эффектом | 0,14-0,18 |